Inuti världens snabbaste Rubiks kublösningsrobot

En grupp elever löser världsrekord med Rubiks kub. Foto: NVCC .

En grupp studenter vid Purdue University satte nyligen ett nytt Guinness-världsrekord med en robot de själva designat, som löste en Rubiks kub på bara 0,103 sekunder. Detta är tre gånger snabbare än det tidigare rekordet som satts av en annan robot.

Rekordet uppnåddes inte av en snabbare robot. Studenterna kombinerade ett kamerasystem med hög hastighet men låg upplösning, en Rubiks kub anpassad för hållbarhet och en speciell lösningsteknik som är populär bland snabbhetsexperter.

Viktiga skillnader från konkurrenterna

Kapplöpningen om att bygga en Rubiks kub-lösande robot började 2014, då en robot byggd av ett Lego Mindstorms-byggsats och med hjälp av en Samsung Galaxy S4-telefon löste kuben på bara 3,253 sekunder. I maj 2024 hävdade ingenjörer på Mitsubishi Electric i Japan att de innehade världsrekordet med en robot som löste kuben på 0,305 sekunder.

För att få ner robotens tid till under en halv sekund övergav teamet Lego-komponenter och använde istället optimerade delar som industrimotorer. Men för att nå 0,103 sekunder justerade Purdue-teamet hastigheten med vilken deras robot kunde "se" Rubiks kubs blandning.

Hastighetslösaren kan observera kuben innan timern startar. Timern tar dock också hänsyn till den tid det tar för roboten att identifiera var varje färgad ruta finns på sidorna.

Studenterna använde två snabba Flir-maskinseendekameror, med en upplösning på endast 720x540 pixlar, placerade i två motsatta hörn av kuben. Varje kamera kan observera tre av kubens sidor samtidigt i en enda bild som bara varar i 10 mikrosekunder.

Robotens extremt snabba färgigenkänningsteknik. Foto: NVCC.

Konventionella kameror behöver fortfarande tid för att bearbeta data från sensorn och omvandla den till en digital bild. Purdubiks kub, som studenternas robot kallas, använder dock ett anpassat bildigenkänningssystem som hoppar över bildbehandlingssteget helt.

Systemet fokuserar på ett mycket litet område (128x124 pixlar) i bilden som tas av varje kamera, vilket minskar mängden data som behöver bearbetas. Rå sensordata skickas direkt till ett höghastighetssystem för färgdetektering som använder RGB-värden från ännu mindre provområden för att bestämma färg snabbare än både konventionella metoder och AI.

Den här metoden, även om den var mindre stabil, kunde uppfylla teamets primära krav. ”Även om noggrannheten bara var 90 % skulle det vara tillräckligt bra. Det vi verkligen behövde var snabbhet”, sa Patrohay, en student i gruppen.

Optimera hela systemet

Patrohay sa att varje tidigare rekordrobot vanligtvis förbättrade en framträdande del. MIT-studentlagets robot (2018) fokuserade på att använda högpresterande industriell hårdvara. Mitsubishi Electric-teamet valde en specialiserad elmotor, utformad för att optimera rotationen av varje Rubiks kubs yta.

Samtidigt valde Purdue-teamet färdig programvara för att optimera hela systemet, från kamera, bildbehandling, hårdvara till lösningsalgoritmen. De använde Elias Frantars Rob-Twophase, en Rubiks kub-lösningsalgoritm specifikt för robotar, vilket gör det möjligt för dem att dra nytta av specialfunktioner som att rotera två Rubiks kubsidor samtidigt.

Teamet använde också en teknik som gjorde det möjligt för dem att börja rotera ena sidan av kuben innan de slutförde rotationen av den andra sidan vinkelrätt mot den. Denna metod sparar mycket tid, men riskerar också att skada eller till och med krossa kuben om timingen är fel eller för mycket kraft appliceras. Därför var studenterna också tvungna att anpassa kuben för att motstå kraften och fungera smidigt med denna teknik.

Enligt World Rubik's Association (WCA) regler kan deltagarna specialdesigna sin egen Rubiks kub, så länge den fortfarande kan rotera och fungera som en vanlig kub, med 9 färgade rutor på varje sida och 6 sidor med 6 olika färger. Spelare kan använda andra material än plast, men de färgade delarna måste ha samma ytstruktur.

Sex sådana motorer kommer att fästas på de återstående sidorna, med uppgift att rotera Rubiks kub. Foto: NVCC.

För att öka hållbarheten uppgraderade Purdue-teamet kubens interna struktur med en specialdesignad 3D-utskriven version tillverkad av ett starkare SLS-nylonharts. Smörjning och ökad spänning bidrar också till att minska överskjutning och förbättra kontrollen.

Purdubiks kub använder sex motorer fästa vid en metallaxel centrerad på varje sida av kuben. Efter att ha testat flera olika metoder bestämde sig teamet för ett trapetsformat rörelsesystem som gör att roboten kan justera varje sida exakt när den stannar.

Patrohay tror att Purdubik kunde ha slagit sitt eget rekord om kuben hade varit gjord av ett mer hållbart material än plast. ”Om man hade tillverkat en dedikerad kub helt av kolfiberkomposit tror jag att den hade kunnat hantera högre hastigheter. Man hade kunnat fortsätta att minska tiden”, sa han.

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