Een team van Purdue University -studenten vestigde onlangs een nieuw Guinness World Record met hun aangepaste robot die een Rubik’s Cube in slechts 0,103 seconden heeft opgelost. Dat was ongeveer een derde van de tijd die de vorige record-setting-bot nodig had. Maar het nieuwe record werd niet behaald door eenvoudig een robot te bouwen die sneller beweegt. De studenten gebruikten een combinatie van high-speed maar low-res camerasystemen, een kubus die is aangepast voor verbeterde sterkte en een speciale oplossende techniek die populair is bij menselijke snelheidsburers.
De Rubik’s Cube-oplossende robotarmwapenwapen begon in 2014, toen een robot genaamd Cubestormer 3 gebouwd met Lego Mindstorms-onderdelen en een Samsung Galaxy S4 de iconische puzzel oploste in 3,253 seconden-sneller dan elke mens of robot op dat moment. (Het huidige wereldrecord voor een mens die een Rubik’s Cube oplossen, is van Xuanyi Geng, die het in slechts 3,05 seconden deed.) In de loop van een decennium slaagden ingenieurs erin dat record te verminderen tot slechts honderden milliseconden.
Afgelopen mei claimden ingenieurs van Mitsubishi Electric in Japan het wereldrecord met een robot die in 0,305 seconden een kubus oploste. Het record stond bijna een jaar voor het team van Purdue’s Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering – Junpei Ota, Aden Hurd, Matthew Patrohay en Alex Berta – verbrijzelden het. Hun robot is bekend geworden als Purdubik’s Cube. Het brengen van het robotrecord naar minder dan een halve seconde moest worden weggegaan van LEGO en in plaats daarvan met behulp van geoptimaliseerde componenten zoals industriële motoren. Door het tot slechts 0,103 seconden te brengen, vereiste het team echter van Purdue om meerdere nieuwe manieren te vinden om milliseconden af te scheren.
“Elke robot die vorige wereldrecordhouders hebben gedaan, heeft zich een beetje gericht op één nieuw ding,” vertelt Patrohay De rand. Toen MIT grad-studenten het record in 2018 braken, kozen ze voor industriële hardware die beter presteerde dan wat eerdere recordhouders hadden gebruikt. Mitsubishi Electric koos elektrische motoren die beter geschikt waren voor de specifieke taak om aan elke kant van de kubus te draaien, in plaats van alleen hardware die sneller bewoog.
Het eerste wat de Purdue -studenten verbeterden, was echter eigenlijk de snelheid die hun robot de roerei kon visualiseren. Cubing -concurrenten van menselijke snelheid mogen de kubus van een Rubik bestuderen voordat hun timer begint, maar het robotrecord omvat de tijd die het kost om de locatie van alle gekleurde vierkanten te bepalen. De studenten gebruikten een paar high-speed machine vision-camera’s van FLIR, met een resolutie van slechts 720×540 pixels, gericht op tegengestelde hoeken van de kubus. Elke camera kan drie zijden tegelijkertijd zien tijdens blootstellingen die slechts 10 microseconden duurden.
Hoewel het misschien onmiddellijk lijkt, kost het tijd voor een camera om de gegevens van een sensor te verwerken en er een digitale afbeelding van te maken. De kubus van Purdubik maakt gebruik van een aangepaste beelddetectiesysteem dat de beeldverwerking helemaal overslaat. Het richt zich ook alleen op een zeer klein gebied van wat de sensor van elke camera ziet – een bijgesneden regio dat slechts 128×124 pixels groot is – om de hoeveelheid gegevens te verminderen die worden verplaatst.
Ruwe gegevens van de sensoren worden rechtstreeks naar een snelle kleurdetectiesysteem verzonden dat de RGB-metingen van nog kleinere monstergebieden op elk vierkant gebruikt om hun kleur sneller te bepalen dan andere benaderingen-zelfs AI.
“Het is soms iets minder betrouwbaar,” geeft Patrohay toe, “maar zelfs als het 90 procent consistent is, is dat goed genoeg zolang het snel is. We willen echt die snelheid.”
Ondanks dat veel van de hardware op Purdue’s robot op maat gemaakt is, koos het team ervoor om met bestaande software te gaan als het ging om het uitzoeken van de snelste manier om een gecodeerde kubus op te lossen. Ze gebruikten de Rob-Twophase van Elias Frantar, een algoritme voor het oplossen van kubus dat rekening houdt met de unieke mogelijkheden van robots, zoals in staat zijn om twee kanten van een kubus tegelijkertijd te draaien.
Het team profiteerde ook van een Rubik’s Cube-oplossende techniek genaamd Corner Cutting, waar je kunt beginnen met het draaien van een kant van de kubus voordat je klaar bent met het draaien van een andere kant die er loodrecht op staat. Het voordeel van deze techniek is dat je niet wacht op de ene kant om de rotatie volledig te beëindigen voordat je een andere start. Voor een kort moment is er overlapping tussen de bewegingen van de twee partijen die kunnen resulteren in een aanzienlijke hoeveelheid tijd die wordt bespaard wanneer u een wereldrecord achtervolgt.
De uitdaging met het snijden van de hoek is dat als je te veel kracht gebruikt (zoals een robot in staat is) en dingen niet perfect timt, je fysiek een Rubik’s kubus kunt breken of zelfs volledig kunnen vernietigen. Naast het perfectioneren van de timing van de bewegingen van de robot en de versnelling van zijn motoren, moesten de studenten de kubus zelf aanpassen.
Guinness World Records volgt op de richtlijnen van de World Cube Association, die een lange lijst heeft met voorschriften die moeten worden gevolgd voordat een record zal worden herkend. Het stelt concurrenten in staat om hun kubus aan te passen, zolang het maar draait als een standaard Rubik’s kubus en negen gekleurde vierkanten aan elk van zijn zes zijden heeft, met elke kant een andere kleur. Andere materialen dan plastic kunnen worden gebruikt, maar de kleuronderdelen moeten allemaal dezelfde textuur hebben.
Om de duurzaamheid te verbeteren, heeft het Purdue-team de interne structuur van hun kubussen opgewaardeerd met een aangepaste 3D-geprinte versie gemaakt van sterker SLS Nylon Plastic. De WCA maakt het gebruik van smeermiddelen ook mogelijk om kubussen vrijer te laten draaien, maar hier wordt het om een andere reden gebruikt.
“De kubus die we voor de plaat gebruiken, is ongelooflijk strak gespannen, zoals bijna hilarisch strak”, zegt Patrohay. “Degene die we hebben aangepast, is erg moeilijk om te draaien. Niet onmogelijk, maar je kunt het niet met je vingers draaien. Je moet je pols er echt in laten.” Bij het oplossen van de kubus met hoge snelheden helpt het smeermiddel om zijn bewegingen af te gladderen, terwijl de verhoogde spanning omverneemt en de controle verbetert, zodat tijdbesparende trucs zoals hoekknippen kunnen worden gebruikt.
Snellere servo -motoren helpen bij het verminderen van de oplossingstijden, maar het is niet zo eenvoudig als het maximaliseren van hun snelheid en het hopen op het beste. De kubus van de Purdubik gebruikt zes motoren bevestigd aan metalen assen die in het midden van elke kant van de kubus glijden. Na het testen van verschillende benaderingen vestigde het team zich op een trapeziumvormige bewegingsprofiel waarbij de servo’s versnellen met snelheden tot 12.000.000 graden/S2, maar veel langzamer vertraagt, dichter bij 3.000.000 graden/s2, zodat de robot nauwkeuriger kan positioneren van elke kant als hij een stop gaat.
Kan de kubus van de Purdubik de plaat opnieuw breken? Patrohay gelooft dat het mogelijk is, maar het zou een sterkere kubus nodig hebben gemaakt van iets anders dan plastic. “Als je een volledig applicatiespecifieke Rubik’s kubus zou maken van een soort koolstofvezelcomposiet, dan zou ik me kunnen voorstellen dat je bij hogere snelheden kunt overleven en gewoon kunt overleven met hogere snelheden, dan zou je de tijd kunnen brengen.”
