Rubik-Rekord Roboter löst Zauberwürfel in weniger als einer halben Sekunde

Ein Logikpuzzler in Weltrekordzeit: Drei Studenten der HTBLA Saalfelden haben mit Automatisierungstechnik von Sigmatek einen Roboter entwickelt, der einen Rubik-Würfel – im deutschen Sprachraum auch Zauberwürfel genannt – in gerade einmal 385 Millisekunden automatisch löst.

Ein Rubik-Würfel, der sich wie durch Zauberhand von selbst löst: Im Rahmen ihrer Diplomarbeit an der HTBLA Saalfelden haben die Studenten David Haidenhofer, Markus Kreutzer und Paul Kreuzer eine Maschine zum Lösen eines verdrehten Zauberwürfels entwickelt. Der „Rubik´s Cube Solver“ genannte Roboter ist in der Lage, einen solchen Rubik-Würfel in neuer Rekordzeit zu lösen: Der Automat braucht zum Lösen des beliebten Knobelspielzeug gerade einmal 385 ms – eine Millisekunde ist übrigens eine Tausendstelsekunde.

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Die Schüler der Abteilung Elektrotechnik haben in ihrem Abschlussprojekt ihr gesammeltes Wissen in den Bereichen Informations-, Antriebs- und Automatisierungstechnik vereint. Der Rubik´s Cube Solver berechnet zuerst mittels Bilderkennung und zwei Kameras die aktuelle Anordnung der farbigen Würfelsteine. Anhand dieser Bilder ermittelt ein Algorithmus die Drehabfolge zum Lösen des Zauberwürfels, die anschließend in Echtzeit an die Steuerung und Antriebe übertragen wird. So werden die bunten Steine vollautomatisch in Position gebracht – in Zeiten, die für Menschen gänzlich unmöglich sind.

Fast zehnmal schneller als der schnellste Mensch

Der Rubik-Würfel bzw. Zauberwürfel, 1974 vom ungarischen Bauingenieur und Architekten Ernő Rubik erfunden, gilt als ein Kultspielzeug der 1970er und 1980er Jahre. Der sechsseitige Würfel setzt sich aus 26 Steinen zusammen und gilt als gelöst, wenn jede Seite einheitlich eine Farbe zeigt. Insgesamt gibt es für einen verdrehten Zauberwürfel 4,3 x 10¹⁹ (über 43 Trillionen) potentielle Stellungen. Es gibt aber die Möglichkeit, durch geschickte Orientierungen des Würfels Folge-Kombinationen zu erzwingen, was zu einem schnellen Lösen eines solchen Würfels genutzt werden kann.

Spätestens seit den 2.000er Jahren hat sich um den Rubik-Würfel eine weltweite Speed-Community gebildet, die es sich zum Ziel gesetzt hat, das Knobelspielzeug schnellstmöglich zu lesen. Als aktueller menschlicher Rekordhalter gilt der Chinese Yusheng Du, der 2018 auf einer Meisterschaft im chinesischen Wuhu einen Zauberwürfel in 3,47 Sekunden lösen konnte.

Auch spezielle Roboter zum Lösen des Drehwürfels wurden in der Vergangenheit bereits demonstriert: Der bislang schnellste Rubik-Roboter war der vom Deutschen Albert Beer konstruierte Sub1 reloaded, der auf der Fachmesse electronica 2016 einen Rubikwürfel in 637 Millisekunden lösen konnte. Die Logik des Sub1 Reloaded stützte sich dabei auf einen AURIX-Mikrocontroller von Infineon. Diese Marke wurde nun von dem an der HTBLA Saalfelden entwickelten Roboter deutlich unterboten.

Die größte Herausforderung bei einem Rubik-Roboter stellt die Geschwindigkeit der Ausführung dar. Der mögliche Lösungsweg lässt sich anhand fester Formeln, trotz der Vielzahl an potenziellen Stellungen, recht schnell berechnen. Ein mathematisches Modell besagt, dass sich ein Zauberwürfel aus jeder beliebigen Position in maximal 20 Zügen lösen lässt. Die rasante Umsetzung stellt bei der Konstruktion eines solchen Automaten die größere Schwierigkeit dar.

Hard- und Software von österreichischem Automationsspezialisten

Der Rubik´s Cube Solver wurde mit hochmoderner Automatisierungstechnik von Sigmatek realisiert. Zum Einsatz kommen ein flexibles Steuerungssystem, leistungsstarke Servomotoren und die Software LASAL zur einfachen Programmierung der Maschine. Neben den technischen Komponenten konnten die Schüler zudem auf das Know-how der Sigmatek-Experten zurückgreifen.

Als Hardware kommt das S-DIAS-System von Sigmatek zum Einsatz: Ein kompaktes CPU-Modul sowie digitale I/Os und Achsmodule, welche die leistungsstarken DSM5-Servomotoren ansteuern, sodass sich die Steine des Zauberwürfels in kürzester Zeit an der richtigen Position befinden. Das objektorientierte, all-in-one Engineering Tool LASAL ermöglicht eine komfortable Programmierung.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal Elektronik Praxis.

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