Zespół Purdue University Studenci niedawno ustalili nowy Guinness World Record Z ich niestandardowym robotem, który rozwiązał kostkę Rubika w zaledwie 0,103 sekundy. To było około jednej trzeciej czasu, w którym zajęło poprzedni bot rekordowy. Ale nowy rekord nie został osiągnięty poprzez po prostu budowanie robota, który porusza się szybciej. Uczniowie zastosowali kombinację szybkich, ale niskich systemów kamer, kostki dostosowanej do lepszej wytrzymałości oraz specjalnej techniki rozwiązywania popularnej wśród ludzi prędkości.
. Wyścig zbrojeń Rubika rozwiązywania sześcianu rozpoczął się w 2014 roku, kiedy zadzwonił robot Cubestormer 3 Zbudowane z częściami Mindstorms Lego i Samsung Galaxy S4 rozwiązały kultową zagadkę w 3,253 sekundy – szybciej niż jakikolwiek człowiek lub robot mógł wówczas. (Obecny rekord świata Człowiek rozwiązujący kostkę Rubika należy do Xuanyi Geng, który zrobił to w zaledwie 3,05 sekundy.) W ciągu dekady inżynierom udało się zmniejszyć ten rekord do zaledwie setek milisekund.
W maju ubiegłego roku inżynierowie Mitsubishi Electric w Japonii zdobyli rekord świata z robot, który rozwiązał kostkę w 0,305 sekundy. Rekord trwał prawie rok przed zespołem z Purdue’s Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering – Junpei Ota, Aden Hurd, Matthew Patrohay i Alex Berta – rozbili go. Ich robot stał się znany jako Kostka Purdubika. Zmniejszenie rekordu robota do mniej niż pół sekundy wymagało odejścia od Lego, a zamiast tego używając zoptymalizowanych komponentów, takich jak silniki przemysłowe. Zmniejszenie go do zaledwie 0,103 sekundy wymagało jednak od zespołu Purdue znalezienia wielu nowych sposobów golania milisekund.
„Każdy robot, który zrobili poprzedni rekordy świata, skupił się na jednej nowej rzeczy”, mówi Patrohay The Verge. Kiedy studenci MIT studenci pobili rekord w 2018 roku, zdecydowali się na sprzęt przemysłowy, który przewyższył to, co używali poprzednich rekordów. Mitsubishi Electric wybrał silniki elektryczne, które lepiej nadawały się do konkretnego zadania obracania każdej strony kostki, zamiast tylko sprzętu, który poruszał się szybciej.
Jednak pierwszą rzeczą, którą poprawili studenci Purdue, była prędkość, którą ich robot może wizualizować zakodowaną kostkę. Konkurenci Cubing Human Speed mogą przestudiować kostkę Rubika przed rozpoczęciem licznika czasu, ale rekord robota obejmuje czas potrzebny na określenie lokalizacji wszystkich kolorowych kwadratów. Uczniowie wykorzystali parę szybkich aparatów wizji maszynowej z FLIR, z rozdzielczością zaledwie 720 x 540 pikseli, wskazywanych na przeciwne zakątki kostki. Każda kamera może zobaczyć trzy strony jednocześnie podczas ekspozycji, które trwały zaledwie 10 mikrosekund.
Chociaż może to wydawać się natychmiastowe, aparat wymaga czasu, aby przetworzyć dane pochodzące z czujnika i przekształcić je w cyfrowy obraz. Kostka Purdubika używa niestandardowego systemu wykrywania obrazu, który całkowicie pomija przetwarzanie obrazu. Koncentruje się również na bardzo niewielkim obszarze tego, co widzi czujnik każdej kamery – powiadomionego regionu o wielkości zaledwie 128 x 124 pikseli – w celu zmniejszenia ilości przenoszonych danych.
Surowe dane z czujników są wysyłane prosto do szybkiego systemu wykrywania kolorów, który wykorzystuje pomiary RGB z jeszcze mniejszych obszarów próbki na każdym kwadratie, aby określić ich kolor szybciej niż inne podejścia-nawet AI.
„Czasami jest to nieco mniej niezawodne”, przyznaje Patrohay, „ale nawet jeśli jest to 90 procent spójne, to wystarczająco dobre, o ile jest szybkie. Naprawdę chcemy tej prędkości”.
Pomimo dużej ilości sprzętu na wykonaniu przez robota Purdue, zespół postanowił przejść do istniejącego oprogramowania, jeśli chodzi o znalezienie najszybszego sposobu rozwiązania jajecznicy. Używali Rob-twofaza Eliasa Frantaraktóry jest algorytmem rozwiązywania kostki, który uwzględnia unikalne możliwości robotów, takie jak jednocześnie możliwość obracania dwóch stron kostki.
Zespół skorzystał również z techniki rozwiązywania kostki Rubika o nazwie Corner Cutting, gdzie możesz zacząć obracać jedną stronę kostki, zanim skończysz odwrócić drugą stronę, która jest prostopadła. Zaletą tej techniki jest to, że nie czekasz, aż jedna strona całkowicie zakończy obrót przed rozpoczęciem kolejnej. Przez krótką chwilę nakłada się ruchy obu stron, które mogą skutkować znacznym zaoszczędzonym czasem podczas ścigania rekordu świata.
Wyzwanie związane z cięciem narożnym polega na tym, że jeśli użyjesz zbyt dużej siły (jak zdolność robota jest zdolny) i nie da się doskonale, możesz fizycznie złamać, a nawet całkowicie zniszczyć kostkę Rubika. Oprócz doskonalenia czasu ruchów robota i przyspieszenia jego silników, uczniowie musieli dostosować samą kostkę.
Guinness World Records jest zgodny z wytycznymi World Cube Association, które ma długą listę przepisów Trzeba to zastosować przed rozpoznaniem rekordu. Umożliwia konkurentom modyfikację kostki, o ile się kręci i odwraca się jak standardowa kostka Rubik i ma dziewięć kolorowych kwadratów po każdej z sześciu stron, z każdą stroną w innym kolorze. Można użyć materiałów innych niż plastik, ale wszystkie części kolorowe muszą mieć tę samą konsystencję.
Aby poprawić swoją trwałość, zespół Purdue zaktualizował wewnętrzną strukturę swoich kostek o niestandardową wersję wydrukowaną 3D wykonaną z mocniejszego nylonowego plastiku SLS. WCA umożliwia również stosowanie smarów, aby pomóc kostkom swobodniej obracać się, ale tutaj jest używany z innego powodu.
„Kostka, której używamy do płyty, jest niewiarygodnie ciasna, jak prawie zabawnie ciasna”, mówi Patrohay. „Ten, który zmodyfikowaliśmy, jest bardzo trudny do obrócenia. Nie niemożliwe, ale nie możesz go odwrócić palcami. Musisz naprawdę wprowadzić w to swój nadgarstek”. Podczas rozwiązywania kostki przy dużych prędkościach smar pomaga wygładzić jego ruchy, podczas gdy zwiększone napięcie zmniejsza obalenia i poprawia kontrolę, aby można było zastosować sztuczki, takie jak cięcie narożne.
Szybsze silniki serwomechanizmu pomagają skrócić czas rozwiązywania, ale nie jest to tak proste, jak maksymalnie wyeliminowanie ich prędkości i liczenie na najlepsze. Kostka Purdubika wykorzystuje sześć silników przymocowanych do metalowych wałów, które rozkładają się na środek każdej strony kostki. Po przetestowaniu kilku różnych podejść zespół osiadł na trapezoidalnym profilu ruchu, w którym serwomot przyspieszają z prędkością do 12 000 000 stopni/S2, ale zmniejszają znacznie wolniejsze, bliżej 3 000 000 stopni/s2, aby robot może dokładniej ustawić z każdej strony, gdy się zatrzymuje.
Czy kostka Purdubika może ponownie pobić płytę? Patrohay uważa, że jest to możliwe, ale potrzebowałby silniejszej kostki wykonanej z czegoś innego niż plastik. „Jeśli miałbyś zrobić kostkę Rubika całkowicie specyficzną dla aplikacji z jakiegoś kompozytowego kompozytów z włókna węglowego, mogłem sobie wyobrazić, że jesteś w stanie przetrwać przy wyższych prędkościach, a po prostu przetrwanie przy wyższych prędkościach pozwoliłoby ci obniżyć czas.”