Внутри самого быстрого в мире робота, собирающего кубик Рубика

Машина для сборки кубика Рубика, побившая мировой рекорд среди групп студентов. Фото: NVCC .

Группа студентов Университета Пердью недавно установила новый мировой рекорд Гиннесса с помощью разработанного ими робота, который собрал кубик Рубика всего за 0,103 секунды. Это в три раза быстрее предыдущего рекорда, установленного другим роботом.

Рекорд был достигнут не более быстрым роботом. Студенты объединили высокоскоростную, но с низким разрешением систему камер, кубик Рубика, настроенный на прочность, и специальную технику решения, популярную среди профессионалов в области скоростного решения.

Ключевые отличия от конкурентов

Гонка роботов-рубиков началась в 2014 году, когда робот, собранный из набора Lego Mindstorms и работающий на Samsung Galaxy S4, собрал кубик всего за 3,253 секунды. В мае 2024 года инженеры Mitsubishi Electric в Японии заявили, что установили мировой рекорд, собрав кубик за 0,305 секунды.

Чтобы сократить время решения робота до менее чем половины секунды, команда отказалась от компонентов Lego и заменила их оптимизированными деталями, такими как промышленные двигатели. Но чтобы достичь отметки в 0,103 секунды, команда Purdue подкорректировала скорость, с которой их робот мог «видеть» перемешивание кубика Рубика.

Скоростной решатель может наблюдать за кубом до начала отсчета времени. Однако таймер также будет учитывать время, которое требуется роботу, чтобы определить, где на гранях находится каждый цветной квадрат.

Студенты использовали две высокоскоростные камеры машинного зрения Flir с разрешением всего 720x540 пикселей, размещенные в противоположных углах куба. Каждая камера могла одновременно наблюдать три грани куба за один снимок, длящийся всего 10 микросекунд.

Чрезвычайно быстрая технология распознавания цвета робота. Фото: NVCC.

Обычным камерам все еще нужно время, чтобы обработать данные с сенсора и превратить их в цифровое изображение. Однако Purdubik's Cube, как называют робота студентов, использует собственную систему распознавания изображений, которая полностью пропускает этап обработки изображения.

Система фокусируется на очень маленькой области (128x124 пикселей) в кадре, захваченном каждой камерой, что сокращает объем данных, которые необходимо обработать. Необработанные данные датчика отправляются непосредственно в высокоскоростную систему определения цвета, которая использует значения RGB из еще меньших областей выборки для определения цветов быстрее, чем обычные методы и ИИ.

Хотя метод нестабилен, он может соответствовать предварительным требованиям команды. «Даже если точность составляет всего 90%, это все равно достаточно хорошо. Что нам действительно нужно, так это скорость», — сказал Патрогей, студент в команде.

Оптимизировать всю систему

Патрогей сказал, что каждый предыдущий робот-рекордсмен обычно улучшал один важный элемент. Робот студенческой команды MIT (2018) был сосредоточен на использовании высокопроизводительного промышленного оборудования. Команда Mitsubishi Electric выбрала специализированный электродвигатель, разработанный для оптимизации вращения каждой грани кубика Рубика.

Тем временем команда Purdue выбрала готовое программное обеспечение для оптимизации всей системы, от камеры, обработки изображений, оборудования до алгоритма решения. Они использовали Rob-Twophase Элиаса Франтара, алгоритм решения кубика Рубика специально для роботов, что позволило им воспользоваться специальными возможностями, такими как вращение двух граней Рубика одновременно.

Команда также использовала технику, которая позволяла им начинать вращение одной стороны куба до завершения вращения другой стороны, перпендикулярной ей. Этот метод экономит много времени, но он также рискует повредить или даже разбить куб, если время выбрано неправильно или приложено слишком много силы. Поэтому студентам также пришлось настроить куб, чтобы он выдерживал силу и работал плавно с этой техникой.

Согласно правилам Всемирной ассоциации Рубика (WCA), участники могут кастомизировать свой собственный кубик Рубика, при условии, что он может вращаться и функционировать как стандартный кубик с 9 цветными квадратами на каждой грани и 6 гранями с 6 разными цветами. Игроки могут использовать материалы, отличные от пластика, но цветные части должны иметь одинаковую текстуру поверхности.

6 таких моторов будут прикреплены к оставшимся сторонам, выполняя задачу вращения кубика Рубика. Фото: NVCC.

Чтобы повысить долговечность, команда Purdue модернизировала внутреннюю структуру куба с помощью специальной 3D-печатной версии, изготовленной из более прочного нейлонового пластика SLS. Смазка и повышенное натяжение также помогают уменьшить перерасход и повысить контроль.

Куб Пурдубика использует шесть двигателей, прикрепленных к металлическому валу, центрированному на каждой грани куба. После тестирования нескольких различных методов команда остановилась на трапециевидной системе движения, которая позволяет роботу точно выравнивать каждую грань, когда он останавливается.

Патрогей считает, что Пурдубик мог бы побить свой собственный рекорд, если бы куб был сделан из более прочного материала, а не из пластика. «Если бы вы сделали специальный куб полностью из композитного углеродного волокна, я думаю, он смог бы выдерживать более высокие скорости. Вы могли бы продолжать сокращать время», — сказал он.

Источник: https://znews.vn/ben-trong-robot-giai-rubik-nhanh-nhat-the-gioi-post1557575.html