中職“機器人技術應用”賽項芯片排序方法研究

摘 要：本文以華航唯實“DS-01”工作站為例，在中職組“機器人技術應用”賽項有關芯片分揀的任務中，經常涉及芯片排序問題，如果排序步驟煩瑣，將影響比賽時間，最終影響成績排名。因此，本文介紹了一種簡便且適合多種排序任務要求的排序方法，可以簡稱為“舍近找遠”法。該方法使機器人能夠按照設定好的排序算法進行芯片排序，盡量減少排序步驟，使芯片排序效率達到最優，從而取得更好的比賽成績。算法應用結果表明，該算法在芯片排序中優勢明顯，能夠為競賽選手提供更好的選擇，具有良好的教育、教學應用價值。

關鍵詞：芯片分揀；芯片排序；舍近找遠

中圖分類號：TP 24 " " " 文獻標志碼：A

1 研究目的

在2023年某市中職機器人技術應用賽項中，有關芯片分揀工藝流程任務中的要求如下所示。機器人根據觸摸屏的選擇，對原料區上的所有芯片進行排序，每種芯片都能夠選擇以下2種排序方式：方式一，A類芯片從小號位置開始依次往后擺放，B類芯片從從大號開始往前依此擺放；方式二，B類芯片從小號位置開始依次往后擺放，A類芯片從大號位置開始依次往前擺放。

分析任務要求可知，芯片排序有2種方式，擺放數量和位置是隨機的，排序方式是通過觸摸屏下單，因此設計的程序代碼需要具備一定的柔性和靈活性，同一段程序代碼最好能適應更多的排序任務要求。進而需要對排序邏輯進行設計，優化出更合理的代碼，使其方便理解又簡短高效，這樣才能使學生在較短時間內掌握，并在比賽現場根據實際任務要求隨機應變、靈活應對，在較短的時間內完成任務，并取得較好成績。只有設計一種邏輯巧妙、程序精簡的排序算法[1]才能滿足該要求。在實際的企業生產中也經常遇到產品排序的場景，因此，通用、靈活的排序算法不僅能服務于學生學習，而且也能使學生在以后的工作中更好地服務于生產實際，具有較大的市場應用前景。

2 任務介紹和分析

實際的競賽題目要求（以集成電路芯片為例）A類芯片從小號位置開始依次往后擺放，B類芯片從大號位置開始依次往前擺放。假如集成電路初始位置如圖1所示，根據任務要求，利用機器人算法排序，擺成如圖2所示的位置，A類芯片從位置1開始以順序依次擺放，B類芯片從位置8以倒序依次擺放。

由圖1可以看出位置②、④、⑤和⑧的芯片是需要移動的，即移動4步是最少的步驟，效率最高。需要特別指出的是，本算法適用于每類芯片的擺放至少有一個空位的情況。

3 “舍近找遠”法簡介

根據集成電路芯片的實際擺放位置，進行視覺檢測后，對每個位置的芯片類型進行賦值。A類芯片賦值為1，B類芯片賦值為-1，空位賦值為0。根據圖1，賦值后的原始數據存放到定義好的數組中，設數組名為原始數組，簡稱為ys，其中存放的元素個數和數據依次是“ys[8] ：={0，-1，1，-1，1，0，-1，1}”。

根據任務要求，寫一個例行程序，將ys[8]數組中的元素重新生成一個目標數組，數組名簡稱為mb，其中存放的元素個數和數據依次是“mb{8}：={1，1，1，0，0，-1，-1，-1}”。

“舍近找遠”法是從第一元素開始比較ys數組和mb數組中對應元素的每個數據值，當2個數據相等時，直接略過，判斷下一個元素；反之，不相等時，可以分為2種情況。一是當前mb數組元素位需要擺放芯片，但是ys數組此位為空位，就需要在ys數組中判斷所需芯片的位置，機器人從該位置直接吸取芯片，將其放到空位。需要注意的是，尋找所需芯片時，要找位置最遠的芯片，而不是相鄰的芯片，這是“舍近找遠”法最核心的思想，再將2個位置的狀態進行互換。二是ys數組當前位置有芯片，就需要先把該芯片挪到最遠空位上去，然后回頭判斷當前位置，再從ys數組中尋找最遠的合適的芯片，最后由機器人吸取芯片并將其調整到位，進行狀態互換。

下文將通過示例和圖示進行簡單說明。1）由圖1和圖2可知，①號位置需要擺放A類芯片，而該位置為空位，此時機器人需要尋找最遠⑧號位置的A類芯片，將其搬運到①號位置，而不是尋找相鄰③號或⑤號位置的A類芯片。搬運完成后，2個位置狀態互換，即①號位置狀態變1，⑧號位置狀態變0，后續步驟同理，完成后如圖3所示。2）同樣，②號位置需要A類芯片，但該位置是淺色B類芯片，需要將其先搬運至最遠的⑧號空位，而不是較近的⑥號空位。搬運完成后，狀態互換，如圖4所示。3）回頭再次判斷②號位，此時②號位已變成空位，機器人可以直接將最遠的⑤號位A類芯片搬運至②號位，而不是搬運相鄰的③號位A類芯片。搬運完成后，2個位置狀態互換，如圖5所示。4）將④號位的B類芯片搬運至⑥號位，狀態互換，如圖6所示。至此全部排序完畢，排序步驟最少、排序效率最優的目標達成。

4 相關程序

進行視覺檢測后，調整存放在ys數組中的原始數據，并將其存放至mb數組中。數據調整需要用到專門的調整程序，調整程序代碼如下所示，相關變量已提前定義好。

VAR num m：=0;

VAR num n：=8;

PROC tz（）

FOR i FROM 1 TO 8 DO

IF ys{i} = 1 THEN

mb{m} ：= ys{i};

m ：= m+1;

ELSEIF ys {i} = -1 THEN

mb{n} ：= ys{i};

n ：= n-1;

ENDIF

ENDFOR

ENDPROC

由于要調整數據，因此需要先設置、識別視覺軟件參數并編寫相應的機器人和視覺通信程序，進而生成ys數組中的數據，過程比較煩瑣。由于本文只討論算法，因此在程序調試過程中，也可以先不進行視覺檢測，而是根據已擺好的芯片位置，直接在機器人程序中找到ys數組變量，并將其賦值[2]。

進而進行排序。排序主要包括循環、判斷和搬運等程序。搬運程序可以寫成帶參數的例行程序“PROC by（robtarget q，robtarget f）”。程序代碼較簡單，本文此處忽略。將其余相關變量定義好，并將集成電路的8個點位示教好，存放在集成電路點位數組中，數組名簡稱為jcdl。排序程序代碼如下所示。

VAR num b{8}：=[0，1，2，3，4，5，6，7];

PROC px（）

FOR i FROM 1 TO 8 DO

IF ys{i} lt;gt; 0 AND ys{i} lt;gt; mb{i} THEN

FOR j FROM b{i}+1 TO 8 DO

IF ys{j} = 0 THEN

k ：= j;

ENDIF

ENDFOR

by jcdl{i}，jcdl{k};

ys {k} ：= ys{i};

ys {i} ：= 0;

ENDIF

IF ys{i} = 0 AND ys{i} lt;gt; mb{i} THEN

FOR "j FROM b{i}+1 TO 8 DO

IF ys{j} = mb{i} THEN

k ：= j;

ENDIF

ENDFOR

by jcdl{k}，jcdl{i};

ys {k} ：= 0;

ys {i} ：= mb{i};

ENDIF

ENDFOR

ENDPROC

需要注意的是，排序例行程序8次循環判斷中的2個IF判斷順序不能對調，必須先判斷當前位置不是空位，然后尋找最遠位置的空位，利用搬運程序進行調整和位置狀態信息互換，再回頭判斷當前位置是空位，并尋找最遠位置的合適芯片進行搬運、調整和位置狀態信息互換。

5 程序測試

根據圖1所示位置擺放好集成電路芯片。將集成電路8個芯片的位置依次示教、存放至集成電路點位數組jcdl中，在主程序里調用相關例行程進行序放，測試結果見表1。

經過算法測試，此種排序排序步驟最少、效果最好，能達到最優排序目標，有效節約整體比賽時間。

如果排序任務要求改變，例如要求A類集成電路芯片從⑧至①倒序擺放，B類芯片從①至⑧正序擺放，原始集成電路芯片擺放位置仍然如圖1所示，只需要把調整例行程序中的判斷條件“ys{i} = 1“與“ys {i} = -1”對調，再次驗證該排序算法的可行性，驗證測試結果見表2。

排序任務改變后，經過算法測試，排序步驟仍然能達到最少、效率最優的目標，即使排序任務不同，需要修改的程序代碼也不多。因此，本排序算法具有一定的通用性且比較容易理解和記憶。在緊張的比賽過程中，選手來不及思考更復雜的算法邏輯，本算法在一定程度上有助于選手在較短時間內完成工作任務，也能為其他任務要求預留更多時間。

本文算法針對2種類型芯片從兩頭往中間排序，對于其他排序要求，應用本方法也能取得較好效果，可能會比最少的步驟多出1～2步，均在可以接受的范圍內。本文算法適合芯片位置沒有擺滿的情況，如果出現擺滿芯片的情況，就需要修改程序，增加其他過渡位來進行排序，程序修改過程也較簡單。

本文算法能兼顧大多數排序任務要求。在理解本算法的基礎上，學生能夠根據不同的排序任務要求，修改為適合新任務的排序算法，只需要將調整例行程序進行適當的算法修改，就可以較大程度地滿足多種排序要求。因此本文算法具有通用性，降低了編程難度，有效節約了時間，對提高競賽成績有一定幫助。

上文是針對集成電路芯片的舉例，對于華航唯實“DS-01”工作站中的CPU、電容和三極管等三類芯片，如果芯片排序任務要求一致，那么排序的核心算法不會改變。在原有基礎上，只需要嵌套2層for循環，把存放信息的一維數組變成二維數組即可。這樣只修改部分程序參數，就可以實現4種芯片的排序。

排序排序例行程序修改方法與調整例行程序相同，同時嵌套2層for循環，將相應的數組信息全部改成二維數組并進行存放和調用，即可完成4種類型芯片的排序，本文在此不一一贅述了。

6 結論

對于上述2種排序，如果采用普通的“冒泡法”來實現，那么整個排序過程將耗時較長、效率較低，不利于學生在競賽時間內取得好成績，而且“冒泡法”無法較好地適應各種排序任務要求。從目前2種排序結果來看，本文排序算法具有更好的創新性和實用性。算法實現過程也不復雜，十分有利于學生學習和掌握。在理解算法核心思想的前提下，學生能夠融會貫通地進行算法修改，以適應其他排序要求。因此，與其他同類算法相比，本文排序算法結構精簡、邏輯簡單，有助于競賽選手取得更優秀的成績，在平常的教育、教學中，本文算法也能夠進行推廣和應用，滿足學生更多的學習要求。

參考文獻

[1]嵇朋朋.基于ABB機器人工作站芯片產品排序實現方法研究[J].焦作大學學報，2019，6（2）：80-83.

[2]葉暉.工業機器人實操與應用技巧[M].第2版.北京：機械工業出版社，2017.

作者簡介：楊會攀（1985—），男，河南省輝縣市人，本科，電子（電工）講師，研究方向為機電一體化、工業機器人。

電子郵箱：627485738@qq.com。

賀洪（1970—），男，江西萍鄉市人，本科，高級講師，研究方向為自動化。

電子郵箱：136100915@qq.com。