Усередині найшвидшого у світі робота для складання кубика Рубіка

Машина для складання кубика Рубіка, що побила світовий рекорд, виконана групою студентів. Фото: NVCC .

Група студентів Університету Пердью нещодавно встановила новий світовий рекорд Гіннеса за допомогою робота, якого вони самі розробили, зібравши кубик Рубіка всього за 0,103 секунди. Це втричі швидше за попередній рекорд, встановлений іншим роботом.

Рекорд не був встановлений роботом, що рухається швидше. Студенти поєднали високошвидкісну систему камер з низькою роздільною здатністю, кубик Рубіка, налаштований для міцності, та спеціальну техніку розв'язання, популярну серед професіоналів у швидкісному розв'язанні задач.

Ключові відмінності від конкурентів

Перегони з побудови робота, який збирає кубик Рубіка, розпочалися у 2014 році, коли робот, зібраний з набору Lego Mindstorms та за допомогою телефону Samsung Galaxy S4, зібрав кубик лише за 3,253 секунди. У травні 2024 року інженери компанії Mitsubishi Electric у Японії заявили, що встановили світовий рекорд, зібравши кубик за 0,305 секунди.

Щоб скоротити час складання робота до менш ніж півсекунди, команда відмовилася від компонентів Lego та натомість використала оптимізовані деталі, такі як промислові двигуни. Але щоб досягти позначки 0,103 секунди, команда Purdue змінила швидкість, з якою їхній робот міг «бачити» переміщення кубика Рубіка.

Робот може спостерігати за кубом до запуску таймера. Однак, таймер також враховуватиме час, необхідний роботу, щоб визначити, де знаходиться кожен кольоровий квадрат на гранях.

Студенти використовували дві високошвидкісні камери машинного зору Flir з роздільною здатністю всього 720x540 пікселів, розміщені у двох протилежних кутах куба. Кожна камера може одночасно спостерігати три грані куба в одному кадрі тривалістю всього 10 мікросекунд.

Надзвичайно швидка технологія розпізнавання кольорів робота. Фото: NVCC.

Звичайним камерам все ще потрібен час для обробки даних із датчика та перетворення їх на цифрове зображення. Однак, Куб Пурдюбіка, як називають робота студентів, використовує спеціальну систему розпізнавання зображень, яка повністю пропускає етап обробки зображення.

Система фокусується на дуже малій області (128x124 пікселів) у кадрі, захопленому кожною камерою, зменшуючи обсяг даних, які потрібно обробити. Необроблені дані датчика надсилаються безпосередньо до високошвидкісної системи визначення кольору, яка використовує значення RGB з ще менших областей вибірки для швидшого визначення кольору, ніж за допомогою традиційних методів та штучного інтелекту.

Цей метод, хоча й менш стабільний, міг би задовольнити основну вимогу команди. «Навіть якби точність становила лише 90%, цього було б достатньо. Нам справді потрібна була швидкість», – сказав Патрохай, студент групи.

Оптимізуйте всю систему

Патрохай сказав, що кожен попередній робот-рекордсмен зазвичай удосконалювався в одному важливому елементі. Робот студентської команди MIT (2018) зосередився на використанні високопродуктивного промислового обладнання. Команда Mitsubishi Electric обрала спеціалізований електродвигун, призначений для оптимізації обертання кожної грані кубика Рубіка.

Тим часом команда Purdue обрала готове програмне забезпечення для оптимізації всієї системи, від камери, обробки зображень, апаратного забезпечення до алгоритму розв'язання. Вони використали Rob-Twophase Еліаса Франтара, алгоритм розв'язання кубика Рубіка, спеціально розроблений для роботів, що дозволяє їм використовувати спеціальні можливості, такі як одночасне обертання двох граней Рубіка.

Команда також використала техніку, яка дозволила їм почати обертати одну сторону куба, перш ніж завершити обертання іншої сторони перпендикулярно до неї. Цей метод економить багато часу, але також ризикує пошкодити або навіть розбити куб, якщо неправильно вибрано момент або прикладено занадто велику силу. Тому студентам також довелося налаштувати куб, щоб він витримував силу та працював безперебійно за допомогою цієї техніки.

Згідно з правилами Всесвітньої асоціації Рубіка (WCA), учасники можуть складати власний кубик Рубіка, якщо він все ще може обертатися та функціонувати як стандартний кубик, з 9 кольоровими квадратами на кожній грані та 6 гранями з 6 різними кольорами. Гравці можуть використовувати матеріали, відмінні від пластику, але кольорові частини повинні мати однакову текстуру поверхні.

6 таких двигунів будуть прикріплені до решти сторін, їх завдання — обертати кубик Рубіка. Фото: NVCC.

Щоб підвищити довговічність, команда Purdue модернізувала внутрішню структуру куба, створивши спеціальну версію, надруковану на 3D-принтері, з міцнішої нейлонової смоли SLS. Змащення та підвищений натяг також допомагають зменшити перерегулювання та покращити контроль.

Куб Пурдюбіка використовує шість двигунів, прикріплених до металевого вала, розташованого по центру кожної грані куба. Після тестування кількох різних методів команда зупинилася на трапецієподібній системі руху, яка дозволяє роботу точно вирівнювати кожну грань, коли він зупиняється.

Патрохай вважає, що Пурдюбік міг би побити власний рекорд, якби куб був виготовлений з міцнішого матеріалу, ніж пластик. «Якби ви зробили спеціальний куб повністю з вуглецевого волокнистого композиту, я думаю, він би зміг витримувати вищі швидкості. Ви могли б продовжувати скорочувати час», – сказав він.

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