中職“機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用”賽項(xiàng)芯片排序方法研究

摘 要：本文以華航唯實(shí)“DS-01”工作站為例，在中職組“機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用”賽項(xiàng)有關(guān)芯片分揀的任務(wù)中，經(jīng)常涉及芯片排序問題，如果排序步驟煩瑣，將影響比賽時(shí)間，最終影響成績(jī)排名。因此，本文介紹了一種簡(jiǎn)便且適合多種排序任務(wù)要求的排序方法，可以簡(jiǎn)稱為“舍近找遠(yuǎn)”法。該方法使機(jī)器人能夠按照設(shè)定好的排序算法進(jìn)行芯片排序，盡量減少排序步驟，使芯片排序效率達(dá)到最優(yōu)，從而取得更好的比賽成績(jī)。算法應(yīng)用結(jié)果表明，該算法在芯片排序中優(yōu)勢(shì)明顯，能夠?yàn)楦?jìng)賽選手提供更好的選擇，具有良好的教育、教學(xué)應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：芯片分揀；芯片排序；舍近找遠(yuǎn)

中圖分類號(hào)：TP 24 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 研究目的

在2023年某市中職機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)中，有關(guān)芯片分揀工藝流程任務(wù)中的要求如下所示。機(jī)器人根據(jù)觸摸屏的選擇，對(duì)原料區(qū)上的所有芯片進(jìn)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(hào)位置開始依次往后擺放，B類芯片從從大號(hào)開始往前依此擺放；方式二，B類芯片從小號(hào)位置開始依次往后擺放，A類芯片從大號(hào)位置開始依次往前擺放。

分析任務(wù)要求可知，芯片排序有2種方式，擺放數(shù)量和位置是隨機(jī)的，排序方式是通過(guò)觸摸屏下單，因此設(shè)計(jì)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(yīng)更多的排序任務(wù)要求。進(jìn)而需要對(duì)排序邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化出更合理的代碼，使其方便理解又簡(jiǎn)短高效，這樣才能使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)掌握，并在比賽現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際任務(wù)要求隨機(jī)應(yīng)變、靈活應(yīng)對(duì)，在較短的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，并取得較好成績(jī)。只有設(shè)計(jì)一種邏輯巧妙、程序精簡(jiǎn)的排序算法[1]才能滿足該要求。在實(shí)際的企業(yè)生產(chǎn)中也經(jīng)常遇到產(chǎn)品排序的場(chǎng)景，因此，通用、靈活的排序算法不僅能服務(wù)于學(xué)生學(xué)習(xí)，而且也能使學(xué)生在以后的工作中更好地服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)際，具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2 任務(wù)介紹和分析

實(shí)際的競(jìng)賽題目要求（以集成電路芯片為例）A類芯片從小號(hào)位置開始依次往后擺放，B類芯片從大號(hào)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(jù)任務(wù)要求，利用機(jī)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(dòng)的，即移動(dòng)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(gè)空位的情況。

3 “舍近找遠(yuǎn)”法簡(jiǎn)介

根據(jù)集成電路芯片的實(shí)際擺放位置，進(jìn)行視覺檢測(cè)后，對(duì)每個(gè)位置的芯片類型進(jìn)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(jù)圖1，賦值后的原始數(shù)據(jù)存放到定義好的數(shù)組中，設(shè)數(shù)組名為原始數(shù)組，簡(jiǎn)稱為ys，其中存放的元素個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)依次是“ys[8] ：={0，-1，1，-1，1，0，-1，1}”。

根據(jù)任務(wù)要求，寫一個(gè)例行程序，將ys[8]數(shù)組中的元素重新生成一個(gè)目標(biāo)數(shù)組，數(shù)組名簡(jiǎn)稱為mb，其中存放的元素個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)依次是“mb{8}：={1，1，1，0，0，-1，-1，-1}”。

“舍近找遠(yuǎn)”法是從第一元素開始比較ys數(shù)組和mb數(shù)組中對(duì)應(yīng)元素的每個(gè)數(shù)據(jù)值，當(dāng)2個(gè)數(shù)據(jù)相等時(shí)，直接略過(guò)，判斷下一個(gè)元素；反之，不相等時(shí)，可以分為2種情況。一是當(dāng)前mb數(shù)組元素位需要擺放芯片，但是ys數(shù)組此位為空位，就需要在ys數(shù)組中判斷所需芯片的位置，機(jī)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(shí)，要找位置最遠(yuǎn)的芯片，而不是相鄰的芯片，這是“舍近找遠(yuǎn)”法最核心的思想，再將2個(gè)位置的狀態(tài)進(jìn)行互換。二是ys數(shù)組當(dāng)前位置有芯片，就需要先把該芯片挪到最遠(yuǎn)空位上去，然后回頭判斷當(dāng)前位置，再?gòu)膟s數(shù)組中尋找最遠(yuǎn)的合適的芯片，最后由機(jī)器人吸取芯片并將其調(diào)整到位，進(jìn)行狀態(tài)互換。

下文將通過(guò)示例和圖示進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。1）由圖1和圖2可知，①號(hào)位置需要擺放A類芯片，而該位置為空位，此時(shí)機(jī)器人需要尋找最遠(yuǎn)⑧號(hào)位置的A類芯片，將其搬運(yùn)到①號(hào)位置，而不是尋找相鄰③號(hào)或⑤號(hào)位置的A類芯片。搬運(yùn)完成后，2個(gè)位置狀態(tài)互換，即①號(hào)位置狀態(tài)變1，⑧號(hào)位置狀態(tài)變0，后續(xù)步驟同理，完成后如圖3所示。2）同樣，②號(hào)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(yùn)至最遠(yuǎn)的⑧號(hào)空位，而不是較近的⑥號(hào)空位。搬運(yùn)完成后，狀態(tài)互換，如圖4所示。3）回頭再次判斷②號(hào)位，此時(shí)②號(hào)位已變成空位，機(jī)器人可以直接將最遠(yuǎn)的⑤號(hào)位A類芯片搬運(yùn)至②號(hào)位，而不是搬運(yùn)相鄰的③號(hào)位A類芯片。搬運(yùn)完成后，2個(gè)位置狀態(tài)互換，如圖5所示。4）將④號(hào)位的B類芯片搬運(yùn)至⑥號(hào)位，狀態(tài)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(yōu)的目標(biāo)達(dá)成。

4 相關(guān)程序

進(jìn)行視覺檢測(cè)后，調(diào)整存放在ys數(shù)組中的原始數(shù)據(jù)，并將其存放至mb數(shù)組中。數(shù)據(jù)調(diào)整需要用到專門的調(diào)整程序，調(diào)整程序代碼如下所示，相關(guān)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(diào)整數(shù)據(jù)，因此需要先設(shè)置、識(shí)別視覺軟件參數(shù)并編寫相應(yīng)的機(jī)器人和視覺通信程序，進(jìn)而生成ys數(shù)組中的數(shù)據(jù)，過(guò)程比較煩瑣。由于本文只討論算法，因此在程序調(diào)試過(guò)程中，也可以先不進(jìn)行視覺檢測(cè)，而是根據(jù)已擺好的芯片位置，直接在機(jī)器人程序中找到y(tǒng)s數(shù)組變量，并將其賦值[2]。

進(jìn)而進(jìn)行排序。排序主要包括循環(huán)、判斷和搬運(yùn)等程序。搬運(yùn)程序可以寫成帶參數(shù)的例行程序“PROC by（robtarget q，robtarget f）”。程序代碼較簡(jiǎn)單，本文此處忽略。將其余相關(guān)變量定義好，并將集成電路的8個(gè)點(diǎn)位示教好，存放在集成電路點(diǎn)位數(shù)組中，數(shù)組名簡(jiǎn)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(huán)判斷中的2個(gè)IF判斷順序不能對(duì)調(diào)，必須先判斷當(dāng)前位置不是空位，然后尋找最遠(yuǎn)位置的空位，利用搬運(yùn)程序進(jìn)行調(diào)整和位置狀態(tài)信息互換，再回頭判斷當(dāng)前位置是空位，并尋找最遠(yuǎn)位置的合適芯片進(jìn)行搬運(yùn)、調(diào)整和位置狀態(tài)信息互換。

5 程序測(cè)試

根據(jù)圖1所示位置擺放好集成電路芯片。將集成電路8個(gè)芯片的位置依次示教、存放至集成電路點(diǎn)位數(shù)組jcdl中，在主程序里調(diào)用相關(guān)例行程進(jìn)行序放，測(cè)試結(jié)果見表1。

經(jīng)過(guò)算法測(cè)試，此種排序排序步驟最少、效果最好，能達(dá)到最優(yōu)排序目標(biāo)，有效節(jié)約整體比賽時(shí)間。

如果排序任務(wù)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(diào)整例行程序中的判斷條件“ys{i} = 1“與“ys {i} = -1”對(duì)調(diào)，再次驗(yàn)證該排序算法的可行性，驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果見表2。

排序任務(wù)改變后，經(jīng)過(guò)算法測(cè)試，排序步驟仍然能達(dá)到最少、效率最優(yōu)的目標(biāo)，即使排序任務(wù)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(guò)程中，選手來(lái)不及思考更復(fù)雜的算法邏輯，本算法在一定程度上有助于選手在較短時(shí)間內(nèi)完成工作任務(wù)，也能為其他任務(wù)要求預(yù)留更多時(shí)間。

本文算法針對(duì)2種類型芯片從兩頭往中間排序，對(duì)于其他排序要求，應(yīng)用本方法也能取得較好效果，可能會(huì)比最少的步驟多出1～2步，均在可以接受的范圍內(nèi)。本文算法適合芯片位置沒有擺滿的情況，如果出現(xiàn)擺滿芯片的情況，就需要修改程序，增加其他過(guò)渡位來(lái)進(jìn)行排序，程序修改過(guò)程也較簡(jiǎn)單。

本文算法能兼顧大多數(shù)排序任務(wù)要求。在理解本算法的基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠根據(jù)不同的排序任務(wù)要求，修改為適合新任務(wù)的排序算法，只需要將調(diào)整例行程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃惴ㄐ薷?，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(jié)約了時(shí)間，對(duì)提高競(jìng)賽成績(jī)有一定幫助。

上文是針對(duì)集成電路芯片的舉例，對(duì)于華航唯實(shí)“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(wù)要求一致，那么排序的核心算法不會(huì)改變。在原有基礎(chǔ)上，只需要嵌套2層for循環(huán)，把存放信息的一維數(shù)組變成二維數(shù)組即可。這樣只修改部分程序參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)4種芯片的排序。

排序排序例行程序修改方法與調(diào)整例行程序相同，同時(shí)嵌套2層for循環(huán)，將相應(yīng)的數(shù)組信息全部改成二維數(shù)組并進(jìn)行存放和調(diào)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(jié)論

對(duì)于上述2種排序，如果采用普通的“冒泡法”來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么整個(gè)排序過(guò)程將耗時(shí)較長(zhǎng)、效率較低，不利于學(xué)生在競(jìng)賽時(shí)間內(nèi)取得好成績(jī)，而且“冒泡法”無(wú)法較好地適應(yīng)各種排序任務(wù)要求。從目前2種排序結(jié)果來(lái)看，本文排序算法具有更好的創(chuàng)新性和實(shí)用性。算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程也不復(fù)雜，十分有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握。在理解算法核心思想的前提下，學(xué)生能夠融會(huì)貫通地進(jìn)行算法修改，以適應(yīng)其他排序要求。因此，與其他同類算法相比，本文排序算法結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、邏輯簡(jiǎn)單，有助于競(jìng)賽選手取得更優(yōu)秀的成績(jī)，在平常的教育、教學(xué)中，本文算法也能夠進(jìn)行推廣和應(yīng)用，滿足學(xué)生更多的學(xué)習(xí)要求。

參考文獻(xiàn)

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[2]葉暉.工業(yè)機(jī)器人實(shí)操與應(yīng)用技巧[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

作者簡(jiǎn)介：楊會(huì)攀（1985—），男，河南省輝縣市人，本科，電子（電工）講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、工業(yè)機(jī)器人。

電子郵箱：627485738@qq.com。

賀洪（1970—），男，江西萍鄉(xiāng)市人，本科，高級(jí)講師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化。

電子郵箱：136100915@qq.com。