CN106773854A - 一种用于机器人的多功能io模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于机器人的多功能IO模块，包括电源接口单元(CN1)、外部设备输入接口单元(CN2)、外部设备输出接口单元(CN3)、输入IO处理单元、输出IO处理单元；电源接口单元包括内部电源接口和外部电源接口；外部设备输入接口单元(CN2)接收外部设备发送的外部信号(IN)，送至输入IO处理单元进行处理，处理后的外部信号送至机器人控制器；输出IO处理单元接收机器人控制器发送的内部信号，将内部信号进行处理后通过外部设备输出接口单元(CN3)发送至外部设备。本发明公开的多功能IO模块可以实现机器人控制器与外部设备之间信号的电平转换处理与传输。

Description

一种用于机器人的多功能IO模块
技术领域
本发明属于自动化控制领域，具体涉及一种用于通用机器人的多功能IO模块。
背景技术
机器人是先进制造业中不可替代的重要装备和手段，是战略性新兴产业的重点发展方向，是衡量一个国家制造业水平和核心竞争力的重要标志。机器人在当今生产、生活中应用越来越广泛，正在替代人工劳作方面发挥着日益重要的作用。随着大数据、互联网、云计算、新型感知等相关技术的快速发展，机器人技术的开发速度越来越快，智能化程度越来越高，应用领域不断扩展，在工业生产、社会服务、教育娱乐、海洋开发、宇宙探测、国防安全等各个领域，机器人都有着广阔的发展空间和应用前景。
随着机器人的不断智能化和先进性的发展，对机器人的核心控制器内部资源的要求也越来越高，机器人要开发更多的功能，连接越来越多的外部设备，则需要越来越多的IO资源，由于机器人控制器内部IO口资源的限制，当机器人内部IO资源不足时，需要外接一种能够提供丰富的IO通讯接口的模块，以达到轻松实现与周边设备进行通信的目的。
发明内容
发明目的：本发明的公开了一种用于机器人的多功能IO模块，可通过PCI总线与机器人控制柜相连，可以实现机器人控制器与外部设备之间信号的电平转换处理与传输。
技术方案：一种用于机器人的多功能IO模块，包括电源接口单元(CN1)、外部设备输入接口单元(CN2)、外部设备输出接口单元(CN3)、输入IO处理单元、输出IO处理单元；其中电源接口单元包括内部电源接口和外部电源接口；外部设备输入接口单元(CN2)接收外部设备发送的外部信号(IN)，送至输入IO处理单元进行处理，处理后的外部信号送至机器人控制器；输出IO处理单元接收机器人控制器发送的内部信号，将内部信号进行处理后通过外部设备输出接口单元(CN3)发送至外部设备。
具体地，电源接口单元包括内部电源接口和外部电源接口，其中内部电源接口由机器人供电，外部电源接口由其他电源供电；外部电源包括外部V24_EX和V3.3_EX电源，内部电源包括V24_IN和V3.3_IN；若使用内部电源，则将V24_EX与V24_IN短接，G24_EX与G24_IN短接，V3.3_EX与V3.3_IN短接，G3.3_EX与G3.3_IN短接；若使用外部电源，则直接将V24_EX于V3.3_EX与外部电源相连。
具体地，外部设备输入接口单元包括若干组输入IO口和每组输入IO口的有效电平控制口。
具体地，外部设备输出接口单元包括若干组输出IO口和每组输出IO口的有效电平控制口。
具体地，输入IO处理单元包括第一发光二极管(LED1)、第二发光二极管(LED2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一电容(C1)和双向光耦(PC1)；
其中外部设备发送的外部信号(IN)接第一发光二极管(LED1)的阴极、第二发光二极管(LED2)的阳极；第一发光二极管(LED1)的阳极、第二发光二极管(LED2)的阴极共同连接至第二电阻(R2)的一端；第一电阻(R1)与第一发光二极管(LED1)并联；第二电阻(R2)的一端接第一发光二极管(LED1)的阳极，另一端接双向光耦(PC1)的2脚；第三电阻(R3)与第一电容(C1)并联至双向光耦(PC1)的1脚与2脚，双向光耦(PC1)的1脚连接至ComIn信号；双向光耦(PC1)的3脚连接第四电阻(R4)的一端和第五电阻(R5)的一端，第五电阻(R5)的另一端将信号送至机器人控制器，第四电阻(R4)的另一端接电源信号V3.3_EX；双向光耦(PC1)的4脚接电源信号G3.3_EX。
具体地，输出IO处理单元包括第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、输出光耦(PC2)、三极管(Q1)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、继电器(K1)、第一双端排针(J1)、第二双端排针(J2)、第三双端排针(J3)；
其中机器人控制器发送的内部信号通过第六电阻(R6)连接至输出光耦(PC2)的1脚，输出光耦(PC2)的2脚与外部电源信号G3.3_EX相连，第七电阻(R7)并联至输出光耦(PC2)的1脚与2脚之间；输出光耦(PC2)的3脚与三极管(Q1)的c脚、第一二极管(D1)的阴极、第二二极管(D2)的阳极、继电器(K1)的2脚和第三双端排针(J3)的一端连接；第二二极管(D2)的阴极与继电器(K1)的1脚共同连接于外部电源V24_EX；第三双端排针(J3)并联至继电器(K1)的2脚与4脚之间；输出光耦(PC2)的4脚与三极管(Q1)的b脚连接；第八电阻(R8)并联至三极管(Q1)的b脚与e脚之间；三极管(Q1)的e脚与第一二极管(D1)的阳极连接至ComOut信号；第二双端排针(J2)并联至ComOut信号与继电器(K1)的3脚之间；第一双端排针(J1)并联至ComOut信号与外部电源地信号G24_EX之间；继电器(K1)的3脚引出的信号为OUTCOM信号，继电器(K1)的4脚引出的信号为输出OUT信号。
有益效果：本发明公开的多功能IO模块具有以下优点：1、可切换内部电源和外部电源，节约内部电源资源；2、输入IO处理单元和输出IO处理单元可以将输入或输出信号配置成高电平有效或低电平有效，两种电平方式可选，灵活方便；3、两种输出方式可选，分别为继电器输出和非继电器输出方式，若对输出电流要求较高，则采用继电器输出，否则采用非继电器输出；4、IO口资源丰富，可扩展性强，多个IO模块叠加可扩展成更多位的IO模块。
附图说明
图1为本发明公开的用于机器人的多功能IO模块组成与连接示意图；
图2为本发明公开的用于机器人的多功能IO模块中电源接口单元示意图；
图3为实施例中外部输入接口单元和外部设备输出接口单元的示意图；
图4为实施例中输入IO处理单元的示意图；
图5为实施例中输出IO处理单元的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
如图1所示，一种用于机器人的多功能IO模块，包括电源接口单元、外部设备输入接口单元、输入IO处理单元、输出IO处理单元、外部设备输出接口单元；其中电源接口单元包括内部电源接口和外部电源接口；外部设备输入接口单元接收外部设备发送的外部信号，送至输入IO处理单元进行处理，处理后的外部信号送至机器人控制器；输出IO处理单元接收机器人控制器发送的内部信号，将内部信号进行处理后通过外部设备输出接口单元发送至外部设备。
如图2所示，电源接口单元(CN1)包括内部电源接口和外部电源接口，内部电源接口由机器人供电，外部电源接口由其他电源供电；外部电源包括外部V24_EX和V3.3_EX电源，内部电源包括V24_IN和V3.3_IN；若使用内部电源，则将V24_EX与V24_IN短接，G24_EX与G24_IN短接，V3.3_EX与V3.3_IN短接，G3.3_EX与G3.3_IN短接；若使用外部电源，则直接将V24_EX于V3.3_EX与外部电源相连。
本实施例以32位输入IO口和32位输出IO口为例。
如图3(a)所示，外部设备输入接口单元CN2共32个IO口，分为4组，每组8个接口；第一组输入IO口IN1-IN8信号电平有效方式一致，跟随第一组的有效电平控制口INCOM1的信号；第二组输入IO口IN9-IN16信号电平有效方式一致，跟随第二组的有效电平控制口INCOM2的信号；第三组输入IO口IN17-IN24信号电平有效方式一致，跟随第三组的有效电平控制口INCOM3的信号；第四组输入IO口IN25-IN32信号的电平有效方式一致，跟随第四组的有效电平控制口INCOM4信号；外部设备通过线缆或连接器与CN2的输入IO口连接，可以进行32位数据的并行输入。
如图3(b)所示，外部设备输出接口单元CN3共32个IO口，分为4组，每组8个接口；第一组输出IO口OUT1-OUT8信号电平有效方式一致，跟随第一组的有效电平控制口OUTCOM1的信号；第二组输出IO口OUT9-OUT16信号电平有效方式一致，跟随第二组的有效电平控制口OUTCOM2的信号；第三组输出IO口OUT17-OUT24信号电平有效方式一致，跟随第三组的有效电平控制口OUTCOM3的信号；第四组输出IO口OUT25-OUT32信号的电平有效方式一致，跟随第四组的有效电平控制口OUTCOM4信号。外部设备通过线缆或连接器与CN3的输出IO口连接，可以进行32位数据的并行输出。
CN2接收的每一路输入数据(INx，x＝1..32)，通过输入IO处理单元的处理后发送至机器人控制器。如图4(a)所示，一路输入信号(IN)的输入IO处理单元包括第一发光二极管(LED1)、第二发光二极管(LED2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一电容(C1)和双向光耦(PC1)；其中外部设备发送的外部输入信号(IN)接第一发光二极管(LED1)的阴极、第二发光二极管(LED2)的阳极；第一发光二极管(LED1)的阳极、第二发光二极管(LED2)的阴极共同连接至第二电阻(R2)的一端；第一电阻(R1)与第一发光二极管(LED1)并联；第二电阻(R2)的一端接第一发光二极管(LED1)的阳极，另一端接双向光耦(PC1)的2脚；第三电阻(R3)与第一电容(C1)并联至双向光耦(PC1)的1脚与2脚，双向光耦(PC1)的1脚连接至ComIn信号；双向光耦(PC1)的3脚连接第四电阻(R4)的一端和第五电阻(R5)的一端，第五电阻(R5)的另一端将信号送至机器人控制器，第四电阻(R4)的另一端接电源信号V3.3_EX；双向光耦(PC1)的4脚接电源信号G3.3_EX。
双向光耦(PC1)既可以将输入配置成高电平有效，又可以配置为低电平有效；如果ComIn接高电平，输入IN则配置为低电平有效，此时发光二极管LED1亮，若ComIn接低电平，输入IN则配置为高电平有效，此时发光二极管LED2亮。
对于32位输入IO口，分为4组，每一组输入信号的输入IO处理单元共用一个ComIn信号，这样共需要4个ComIn信号。通过设置ComIn的高低电平可以将输入配置为高电平有效或低电平有效，如果ComIn接高电平，输入IN则配置为低电平有效，若ComIn接低电平，输入IN则配置为高电平有效。4个ComIn信号编号为ComIn1-ComIn4，连接至CN4，如图4(b)所示。其中CN4是一个通用连接器，本实施例中采用的型号为B4P-VH(LF)(SN)。
机器人控制器发出的内部输出信号经过输出IO处理单元的处理后通过外部设备输出接口单元(CN3)发送至外部设备。如图5(a)所示，一路输出IO处理单元包括第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、输出光耦(PC2)、三极管(Q1)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、继电器(K1)、第一双端排针(J1)、第二双端排针(J2)、第三双端排针(J3)；其中机器人控制器发送的内部信号通过第六电阻(R6)连接至输出光耦(PC2)的1脚，输出光耦(PC2)的2脚与外部电源信号G3.3_EX相连，第七电阻(R7)并联至输出光耦(PC2)的1脚与2脚之间；输出光耦(PC2)的3脚与三极管(Q1)的c脚、第一二极管(D1)的阴极、第二二极管(D2)的阳极、继电器(K1)的2脚和第三双端排针(J3)的一端连接；第二二极管(D2)的阴极与继电器(K1)的1脚共同连接于外部电源V24_EX；第三双端排针(J3)并联至继电器(K1)的2脚与4脚之间；输出光耦(PC2)的4脚与三极管(Q1)的b脚连接；第八电阻(R8)并联至三极管(Q1)的b脚与e脚之间；三极管(Q1)的e脚与第一二极管(D1)的阳极连接至ComOut信号；第二双端排针(J2)并联至ComOut信号与继电器(K1)的3脚之间；第一双端排针(J1)并联至ComOut信号与外部电源地信号G24_EX之间；继电器(K1)的3脚引出的信号为OUTCOM信号，连接至CN3的有效电平控制口，继电器(K1)的4脚引出的信号为输出OUT信号，连接至CN3的输出IO口。
本实施例可以进行32位数据的并行输出，每一路数据通过CN3的输出IO口发送至外部设备；32位输出数据分为4组，每一组输出信号的输出IO处理单元共用一个ComOut信号，这样共需要4个ComOut信号，作为输出OUT信号的跟随信号来配置输出OUT信号，将ComOut编号为ComOut1-ComOut4，连接至CN5，如图5(b)所示。CN5是一个通用连接器，本实施例中采用的型号为B4P-VH(LF)(SN)。
当输出需要较大的输出电流时，使用继电器输出，将双端排针J1用短路帽短接，双端排针J2和J3不接，此时ComOut信号接外部电源地信号G24_EX，当机器人控制器输出高电平时，输出光耦PC2工作，输出光耦PC2的3脚信号为0V，此时继电器K1线圈通电工作，输出OUT信号跟随OUTCOM的信号，若OUTCOM为高电平，则输出OUT信号为高电平，若OUTCOM为低电平，则输出OUT为低电平；如果输出不需要较大的电流，则可不使用继电器输出，将双端排针J2和J3用短路帽进行短接，双端排针J1则不接，将ComOut与OUTCOM连接在一起，此时ComOut信号跟随OUTCOM信号，PC2工作后，若OUTCOM接高电平，则ComOut信号为高电平，因此输出OUT信号为高电平，若OUTCOM接低电平，则ComOut信号为低电平，因此输出OUT信号为低电平。

Claims (6)

1.一种用于机器人的多功能IO模块，其特征在于，包括电源接口单元(CN1)、外部设备输入接口单元(CN2)、外部设备输出接口单元(CN3)、输入IO处理单元、输出IO处理单元；
所述外部设备输入接口单元(CN2)接收外部设备发送的外部信号(IN)，送至输入IO处理单元进行处理，处理后的外部信号送至机器人控制器；
所述输出IO处理单元接收机器人控制器发送的内部信号，将内部信号进行处理后通过外部设备输出接口单元(CN3)发送至外部设备。
2.根据权利要求1所述的多功能IO模块，其特征在于，所述电源接口单元包括内部电源接口和外部电源接口；
所述内部电源接口由机器人供电，所述外部电源接口由其他电源供电；外部电源包括外部V24_EX和V3.3_EX电源，内部电源包括V24_IN和V3.3_IN；若使用内部电源，则将V24_EX与V24_IN短接，G24_EX与G24_IN短接，V3.3_EX与V3.3_IN短接，G3.3_EX与G3.3_IN短接；若使用外部电源，则直接将V24_EX于V3.3_EX与外部电源相连。
3.根据权利要求1所述的多功能IO模块，其特征在于，所述外部设备输入接口单元包括若干组输入IO口和每组输入IO口的有效电平控制口。
4.根据权利要求1所述的多功能IO模块，其特征在于，所述外部设备输出接口单元包括若干组输出IO口和每组输出IO口的有效电平控制口。
5.根据权利要求1所述的多功能IO模块，其特征在于，所述输入IO处理单元包括第一发光二极管(LED1)、第二发光二极管(LED2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一电容(C1)和双向光耦(PC1)；
所述外部设备发送的外部信号(IN)接第一发光二极管(LED1)的阴极、第二发光二极管(LED2)的阳极；第一发光二极管(LED1)的阳极、第二发光二极管(LED2)的阴极共同连接至第二电阻(R2)的一端；第一电阻(R1)与第一发光二极管(LED1)并联；
第二电阻(R2)的一端接第一发光二极管(LED1)的阳极，另一端接双向光耦(PC1)的2脚；第三电阻(R3)与第一电容(C1)并联至双向光耦(PC1)的1脚与2脚，双向光耦(PC1)的1脚连接至ComIn信号；
双向光耦(PC1)的3脚连接第四电阻(R4)的一端和第五电阻(R5)的一端，第五电阻(R5)的另一端将信号送至机器人控制器，第四电阻(R4)的另一端接电源信号V3.3_EX；双向光耦(PC1)的4脚接电源信号G3.3_EX。
6.根据权利要求1所述的多功能IO模块，其特征在于，所述输出IO处理单元包括第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、输出光耦(PC2)、三极管(Q1)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、继电器(K1)、第一双端排针(J1)、第二双端排针(J2)、第三双端排针(J3)；
所述机器人控制器发送的内部信号通过第六电阻(R6)连接至输出光耦(PC2)的1脚，输出光耦(PC2)的2脚与外部电源信号G3.3_EX相连，第七电阻(R7)并联至输出光耦(PC2)的1脚与2脚之间；
输出光耦(PC2)的3脚与三极管(Q1)的c脚、第一二极管(D1)的阴极、第二二极管(D2)的阳极、继电器(K1)的2脚和第三双端排针(J3)的一端连接；第二二极管(D2)的阴极与继电器(K1)的1脚共同连接于外部电源V24_EX；第三双端排针(J3)并联至继电器(K1)的2脚与4脚之间；
输出光耦(PC2)的4脚与三极管(Q1)的b脚连接；第八电阻(R8)并联至三极管(Q1)的b脚与e脚之间；三极管(Q1)的e脚与第一二极管(D1)的阳极连接至ComOut信号；
第二双端排针(J2)并联至ComOut信号与继电器(K1)的3脚之间；第一双端排针(J1)并联至ComOut信号与外部电源地信号G24_EX之间；继电器(K1)的3脚引出的信号为OUTCOM信号，继电器(K1)的4脚引出的信号为输出OUT信号。
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