中职“机器人技术应用”赛项芯片排序方法研究

摘 要：本文以华航唯实“DS-01”工作站为例，在中职组“机器人技术应用”赛项有关芯片分拣的任务中，经常涉及芯片排序问题，如果排序步骤烦琐，将影响比赛时间，最终影响成绩排名。因此，本文介绍了一种简便且适合多种排序任务要求的排序方法，可以简称为“舍近找远”法。该方法使机器人能够按照设定好的排序算法进行芯片排序，尽量减少排序步骤，使芯片排序效率达到最优，从而取得更好的比赛成绩。算法应用结果表明，该算法在芯片排序中优势明显，能够为竞赛选手提供更好的选择，具有良好的教育、教学应用价值。

关键词：芯片分拣；芯片排序；舍近找远

中图分类号：TP 24 " " " 文献标志码：A

1 研究目的

在2023年某市中职机器人技术应用赛项中，有关芯片分拣工艺流程任务中的要求如下所示。机器人根据触摸屏的选择，对原料区上的所有芯片进行排序，每种芯片都能够选择以下2种排序方式：方式一，A类芯片从小号位置开始依次往后摆放，B类芯片从从大号开始往前依此摆放；方式二，B类芯片从小号位置开始依次往后摆放，A类芯片从大号位置开始依次往前摆放。

分析任务要求可知，芯片排序有2种方式，摆放数量和位置是随机的，排序方式是通过触摸屏下单，因此设计的程序代码需要具备一定的柔性和灵活性，同一段程序代码最好能适应更多的排序任务要求。进而需要对排序逻辑进行设计，优化出更合理的代码，使其方便理解又简短高效，这样才能使学生在较短时间内掌握，并在比赛现场根据实际任务要求随机应变、灵活应对，在较短的时间内完成任务，并取得较好成绩。只有设计一种逻辑巧妙、程序精简的排序算法[1]才能满足该要求。在实际的企业生产中也经常遇到产品排序的场景，因此，通用、灵活的排序算法不仅能服务于学生学习，而且也能使学生在以后的工作中更好地服务于生产实际，具有较大的市场应用前景。

2 任务介绍和分析

实际的竞赛题目要求（以集成电路芯片为例）A类芯片从小号位置开始依次往后摆放，B类芯片从大号位置开始依次往前摆放。假如集成电路初始位置如图1所示，根据任务要求，利用机器人算法排序，摆成如图2所示的位置，A类芯片从位置1开始以顺序依次摆放，B类芯片从位置8以倒序依次摆放。

由图1可以看出位置②、④、⑤和⑧的芯片是需要移动的，即移动4步是最少的步骤，效率最高。需要特别指出的是，本算法适用于每类芯片的摆放至少有一个空位的情况。

3 “舍近找远”法简介

根据集成电路芯片的实际摆放位置，进行视觉检测后，对每个位置的芯片类型进行赋值。A类芯片赋值为1，B类芯片赋值为-1，空位赋值为0。根据图1，赋值后的原始数据存放到定义好的数组中，设数组名为原始数组，简称为ys，其中存放的元素个数和数据依次是“ys[8] ：={0，-1，1，-1，1，0，-1，1}”。

根据任务要求，写一个例行程序，将ys[8]数组中的元素重新生成一个目标数组，数组名简称为mb，其中存放的元素个数和数据依次是“mb{8}：={1，1，1，0，0，-1，-1，-1}”。

“舍近找远”法是从第一元素开始比较ys数组和mb数组中对应元素的每个数据值，当2个数据相等时，直接略过，判断下一个元素；反之，不相等时，可以分为2种情况。一是当前mb数组元素位需要摆放芯片，但是ys数组此位为空位，就需要在ys数组中判断所需芯片的位置，机器人从该位置直接吸取芯片，将其放到空位。需要注意的是，寻找所需芯片时，要找位置最远的芯片，而不是相邻的芯片，这是“舍近找远”法最核心的思想，再将2个位置的状态进行互换。二是ys数组当前位置有芯片，就需要先把该芯片挪到最远空位上去，然后回头判断当前位置，再从ys数组中寻找最远的合适的芯片，最后由机器人吸取芯片并将其调整到位，进行状态互换。

下文将通过示例和图示进行简单说明。1）由图1和图2可知，①号位置需要摆放A类芯片，而该位置为空位，此时机器人需要寻找最远⑧号位置的A类芯片，将其搬运到①号位置，而不是寻找相邻③号或⑤号位置的A类芯片。搬运完成后，2个位置状态互换，即①号位置状态变1，⑧号位置状态变0，后续步骤同理，完成后如图3所示。2）同样，②号位置需要A类芯片，但该位置是浅色B类芯片，需要将其先搬运至最远的⑧号空位，而不是较近的⑥号空位。搬运完成后，状态互换，如图4所示。3）回头再次判断②号位，此时②号位已变成空位，机器人可以直接将最远的⑤号位A类芯片搬运至②号位，而不是搬运相邻的③号位A类芯片。搬运完成后，2个位置状态互换，如图5所示。4）将④号位的B类芯片搬运至⑥号位，状态互换，如图6所示。至此全部排序完毕，排序步骤最少、排序效率最优的目标达成。

4 相关程序

进行视觉检测后，调整存放在ys数组中的原始数据，并将其存放至mb数组中。数据调整需要用到专门的调整程序，调整程序代码如下所示，相关变量已提前定义好。

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

由于要调整数据，因此需要先设置、识别视觉软件参数并编写相应的机器人和视觉通信程序，进而生成ys数组中的数据，过程比较烦琐。由于本文只讨论算法，因此在程序调试过程中，也可以先不进行视觉检测，而是根据已摆好的芯片位置，直接在机器人程序中找到ys数组变量，并将其赋值[2]。

进而进行排序。排序主要包括循环、判断和搬运等程序。搬运程序可以写成带参数的例行程序“PROC by（robtarget q，robtarget f）”。程序代码较简单，本文此处忽略。将其余相关变量定义好，并将集成电路的8个点位示教好，存放在集成电路点位数组中，数组名简称为jcdl。排序程序代码如下所示。

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次循环判断中的2个IF判断顺序不能对调，必须先判断当前位置不是空位，然后寻找最远位置的空位，利用搬运程序进行调整和位置状态信息互换，再回头判断当前位置是空位，并寻找最远位置的合适芯片进行搬运、调整和位置状态信息互换。

5 程序测试

根据图1所示位置摆放好集成电路芯片。将集成电路8个芯片的位置依次示教、存放至集成电路点位数组jcdl中，在主程序里调用相关例行程进行序放，测试结果见表1。

经过算法测试，此种排序排序步骤最少、效果最好，能达到最优排序目标，有效节约整体比赛时间。

如果排序任务要求改变，例如要求A类集成电路芯片从⑧至①倒序摆放，B类芯片从①至⑧正序摆放，原始集成电路芯片摆放位置仍然如图1所示，只需要把调整例行程序中的判断条件“ys{i} = 1“与“ys {i} = -1”对调，再次验证该排序算法的可行性，验证测试结果见表2。

排序任务改变后，经过算法测试，排序步骤仍然能达到最少、效率最优的目标，即使排序任务不同，需要修改的程序代码也不多。因此，本排序算法具有一定的通用性且比较容易理解和记忆。在紧张的比赛过程中，选手来不及思考更复杂的算法逻辑，本算法在一定程度上有助于选手在较短时间内完成工作任务，也能为其他任务要求预留更多时间。

本文算法针对2种类型芯片从两头往中间排序，对于其他排序要求，应用本方法也能取得较好效果，可能会比最少的步骤多出1～2步，均在可以接受的范围内。本文算法适合芯片位置没有摆满的情况，如果出现摆满芯片的情况，就需要修改程序，增加其他过渡位来进行排序，程序修改过程也较简单。

本文算法能兼顾大多数排序任务要求。在理解本算法的基础上，学生能够根据不同的排序任务要求，修改为适合新任务的排序算法，只需要将调整例行程序进行适当的算法修改，就可以较大程度地满足多种排序要求。因此本文算法具有通用性，降低了编程难度，有效节约了时间，对提高竞赛成绩有一定帮助。

上文是针对集成电路芯片的举例，对于华航唯实“DS-01”工作站中的CPU、电容和三极管等三类芯片，如果芯片排序任务要求一致，那么排序的核心算法不会改变。在原有基础上，只需要嵌套2层for循环，把存放信息的一维数组变成二维数组即可。这样只修改部分程序参数，就可以实现4种芯片的排序。

排序排序例行程序修改方法与调整例行程序相同，同时嵌套2层for循环，将相应的数组信息全部改成二维数组并进行存放和调用，即可完成4种类型芯片的排序，本文在此不一一赘述了。

6 结论

对于上述2种排序，如果采用普通的“冒泡法”来实现，那么整个排序过程将耗时较长、效率较低，不利于学生在竞赛时间内取得好成绩，而且“冒泡法”无法较好地适应各种排序任务要求。从目前2种排序结果来看，本文排序算法具有更好的创新性和实用性。算法实现过程也不复杂，十分有利于学生学习和掌握。在理解算法核心思想的前提下，学生能够融会贯通地进行算法修改，以适应其他排序要求。因此，与其他同类算法相比，本文排序算法结构精简、逻辑简单，有助于竞赛选手取得更优秀的成绩，在平常的教育、教学中，本文算法也能够进行推广和应用，满足学生更多的学习要求。

参考文献

[1]嵇朋朋.基于ABB机器人工作站芯片产品排序实现方法研究[J].焦作大学学报，2019，6（2）：80-83.

[2]叶晖.工业机器人实操与应用技巧[M].第2版.北京：机械工业出版社，2017.

作者简介：杨会攀（1985—），男，河南省辉县市人，本科，电子（电工）讲师，研究方向为机电一体化、工业机器人。

电子邮箱：627485738@qq.com。

贺洪（1970—），男，江西萍乡市人，本科，高级讲师，研究方向为自动化。

电子邮箱：136100915@qq.com。