ภายในหุ่นยนต์แก้รูบิกคิวบ์ที่เร็วที่สุดในโลก

หุ่นยนต์ตัวนี้ถือสถิติโลกในการแก้ลูกบาศก์รูบิกได้เร็วที่สุดในเวลา 0.103 วินาที ด้วยเทคนิคและการปรับปรุงที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงเมื่อเทียบกับผู้แข่งขันรุ่นก่อนๆ

เครื่องแก้ลูกบาศก์รูบิกที่สร้างสถิติโลก ของกลุ่มนักเรียน ภาพโดย: NVCC

กลุ่มนักศึกษาจากมหาวิทยาลัยเพอร์ดูเพิ่งสร้างสถิติโลกใหม่ด้วยหุ่นยนต์ที่พวกเขาออกแบบเอง โดยสามารถแก้ลูกบาศก์รูบิกได้ภายในเวลาเพียง 0.103 วินาที ซึ่งเร็วกว่าสถิติเดิมที่หุ่นยนต์ตัวอื่นทำได้ถึง 3 เท่า

สถิติดังกล่าวไม่ได้เกิดขึ้นจากหุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่เร็วกว่านี้ นักเรียนได้ใช้ระบบกล้องถ่ายภาพความเร็วสูงแต่ความละเอียดต่ำ ลูกบาศก์รูบิกที่ปรับแต่งให้ทนทาน และเทคนิคพิเศษในการไขปัญหาที่นิยมใช้กันในหมู่ผู้เชี่ยวชาญด้านการไขปัญหาด้วยความเร็ว

ความแตกต่างที่สำคัญจากคู่แข่ง

การแข่งขันหุ่นยนต์ลูกบาศก์รูบิกเริ่มขึ้นในปี 2014 เมื่อหุ่นยนต์ที่สร้างจากชุดเลโก้ Mindstorms และใช้พลังงานจาก Samsung Galaxy S4 สามารถแก้ลูกบาศก์ได้ในเวลาเพียง 3.253 วินาที ในเดือนพฤษภาคม 2024 วิศวกรของ Mitsubishi Electric ในญี่ปุ่นอ้างว่าสามารถทำลายสถิติโลกด้วยหุ่นยนต์ที่แก้ลูกบาศก์ได้ในเวลา 0.305 วินาที

เพื่อให้หุ่นยนต์สามารถแก้ปริศนาได้ภายในครึ่งวินาที ทีมวิจัยจึงเลิกใช้ชิ้นส่วนเลโก้และแทนที่ด้วยชิ้นส่วนที่ปรับแต่งมาอย่างดี เช่น มอเตอร์อุตสาหกรรม แต่เพื่อให้เสร็จภายใน 0.103 วินาที ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเพอร์ดูจึงปรับความเร็วที่หุ่นยนต์สามารถ "มองเห็น" การเคลื่อนที่ของลูกบาศก์รูบิก

ตัวแก้ปัญหาความเร็วสามารถสังเกตลูกบาศก์ได้ก่อนที่ตัวจับเวลาจะเริ่มทำงาน อย่างไรก็ตาม ตัวจับเวลาจะคำนึงถึงเวลาที่หุ่นยนต์ใช้ในการระบุตำแหน่งของสี่เหลี่ยมสีต่างๆ บนหน้าด้วย

นักเรียนใช้กล้องถ่ายภาพความเร็วสูง Flir สองตัว ซึ่งมีความละเอียดเพียง 720x540 พิกเซล โดยติดตั้งไว้ที่มุมตรงข้ามของลูกบาศก์ กล้องแต่ละตัวสามารถสังเกตหน้าลูกบาศก์ได้สามหน้าพร้อมกันในการถ่ายภาพครั้งเดียว โดยใช้เวลาเพียง 10 ไมโครวินาที

เทคโนโลยีการจดจำสีอันรวดเร็วอย่างยิ่งของหุ่นยนต์ ภาพ: NVCC

กล้องทั่วไปยังคงต้องใช้เวลาในการประมวลผลข้อมูลจากเซ็นเซอร์และแปลงข้อมูลดังกล่าวเป็นภาพดิจิทัล อย่างไรก็ตาม Purdubik's Cube ซึ่งเป็นชื่อหุ่นยนต์ของนักเรียนนั้นใช้ระบบจดจำภาพแบบกำหนดเองซึ่งข้ามขั้นตอนการประมวลผลภาพไปเลย

ระบบจะโฟกัสที่พื้นที่ขนาดเล็กมาก (128x124 พิกเซล) ในเฟรมที่จับภาพโดยกล้องแต่ละตัว ช่วยลดปริมาณข้อมูลที่ต้องประมวลผล ข้อมูลดิบจากเซ็นเซอร์จะถูกส่งไปยังระบบตรวจจับสีความเร็วสูงโดยตรง ซึ่งใช้ค่า RGB จากพื้นที่ตัวอย่างที่เล็กกว่าเพื่อระบุสีได้เร็วกว่าทั้งวิธีการทั่วไปและ AI

แม้ว่าวิธีนี้จะไม่เสถียร แต่ก็สามารถตอบสนองความต้องการของทีมได้ “แม้ว่าความแม่นยำจะอยู่ที่ 90% เท่านั้น ก็ยังถือว่าดีพอ สิ่งที่เราต้องการจริงๆ คือความเร็ว” Patrohay นักศึกษาในทีมกล่าว

เพิ่มประสิทธิภาพทั้งระบบ

Patrohay กล่าวว่าหุ่นยนต์ที่ทำลายสถิติในอดีตแต่ละตัวมักจะพัฒนาในองค์ประกอบที่โดดเด่นหนึ่งอย่าง หุ่นยนต์ของทีมนักศึกษา MIT (2018) เน้นที่การใช้ฮาร์ดแวร์อุตสาหกรรมประสิทธิภาพสูง ทีม Mitsubishi Electric เลือกมอเตอร์ไฟฟ้าเฉพาะทางที่ออกแบบมาเพื่อปรับการหมุนของลูกบาศก์รูบิกแต่ละด้านให้เหมาะสมที่สุด

ในขณะเดียวกัน ทีมงาน Purdue เลือกใช้ซอฟต์แวร์สำเร็จรูปเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้กับระบบทั้งหมด ตั้งแต่กล้อง การประมวลผลภาพ ฮาร์ดแวร์ ไปจนถึงอัลกอริทึมการแก้ปัญหา พวกเขาใช้ Rob-Twophase ของ Elias Frantar ซึ่งเป็นอัลกอริทึมการแก้ปัญหาลูกบาศก์รูบิกโดยเฉพาะสำหรับหุ่นยนต์ ช่วยให้หุ่นยนต์สามารถใช้ประโยชน์จากความสามารถพิเศษ เช่น การหมุนหน้ารูบิกสองหน้าในเวลาเดียวกันได้

ทีมยังใช้เทคนิคที่ช่วยให้พวกเขาเริ่มหมุนลูกบาศก์ด้านหนึ่งก่อนที่อีกด้านจะหมุนเสร็จในแนวตั้งฉากกับลูกบาศก์ วิธีนี้ช่วยประหยัดเวลาได้มาก แต่ก็มีความเสี่ยงที่จะทำให้ลูกบาศก์เสียหายหรือแตกได้หากจังหวะไม่ถูกต้องหรือใช้แรงมากเกินไป ดังนั้น นักเรียนจึงต้องปรับแต่งลูกบาศก์ให้ทนต่อแรงและทำงานได้อย่างราบรื่นด้วยเทคนิคนี้

ตามกฎของสมาคมรูบิกโลก (WCA) ผู้เข้าร่วมสามารถปรับแต่งลูกบาศก์รูบิกของตนเองได้ตราบเท่าที่ลูกบาศก์ยังคงหมุนได้และทำงานเป็นลูกบาศก์มาตรฐาน โดยแต่ละด้านจะมีสี่เหลี่ยมสี 9 อัน และมีด้านที่มี 6 สีที่แตกต่างกัน ผู้เล่นสามารถใช้วัสดุอื่นที่ไม่ใช่พลาสติกได้ แต่ส่วนที่มีสีจะต้องมีพื้นผิวสัมผัสเหมือนกัน

มอเตอร์ 6 ตัวนี้จะติดอยู่กับด้านที่เหลือ ทำหน้าที่หมุนลูกบาศก์รูบิก ภาพ: NVCC

เพื่อเพิ่มความทนทาน ทีมงาน Purdue ได้อัปเกรดโครงสร้างภายในของลูกบาศก์ด้วยเวอร์ชันที่พิมพ์ 3 มิติพิเศษที่ทำจากพลาสติกไนลอน SLS ที่แข็งแกร่งกว่า การหล่อลื่นและแรงตึงที่เพิ่มขึ้นยังช่วยลดการเคลื่อนตัวเกินและเพิ่มการควบคุมอีกด้วย

ลูกบาศก์ของ Purdubik ใช้มอเตอร์ 6 ตัวที่ติดอยู่กับแกนโลหะซึ่งอยู่ตรงกลางของลูกบาศก์แต่ละด้าน หลังจากทดสอบวิธีการต่างๆ หลายวิธีแล้ว ทีมงานได้เลือกใช้ระบบการเคลื่อนที่แบบสี่เหลี่ยมคางหมู ซึ่งช่วยให้หุ่นยนต์สามารถจัดตำแหน่งแต่ละด้านได้อย่างแม่นยำเมื่อหยุด

Patrohay เชื่อว่า Purdubik อาจทำลายสถิติของตัวเองได้หากลูกบาศก์ทำจากวัสดุอื่นที่ทนทานกว่าพลาสติก "หากคุณสร้างลูกบาศก์โดยเฉพาะจากคาร์บอนไฟเบอร์คอมโพสิตทั้งหมด ผมคิดว่ามันจะสามารถทำความเร็วได้สูงขึ้น และสามารถลดเวลาลงได้" เขากล่าว

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