CN112099404A

CN112099404A - 一种用于机器人的安全控制器

Info

Publication number: CN112099404A
Application number: CN202010949850.1A
Authority: CN
Inventors: 陈辉; 周扬; 孙敬颋; 李昱
Original assignee: Jing Ke Shenzhen Robot Technology Co ltd
Current assignee: Jing Ke Shenzhen Robot Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2020-09-10
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2040-09-10
Also published as: CN112099404B

Abstract

本申请涉及机器人控制领域，尤其是涉及一种用于机器人的安全控制器，包括综合控制模块和连接在综合控制模块上的电源控制模块，所述综合控制模块上连接有DIO模块和AIO模块，所述电源控制模块包括用于给综合控制模块供电的220V电源供给模块、用于给机器人供电的48V电源供给模块、用于给DIO模块和AIO模块供电的24V电源供给模块。本申请通过对安全控制器的内部电源进行电气隔离，提高安全控制器的安全性。

Description

一种用于机器人的安全控制器

技术领域

本申请涉及机器人控制领域，尤其是涉及一种用于机器人的安全控制器。

背景技术

随着机器人的应用场景开始走向人机协作的领域，对机器人的安全性要求越来越高，以及对人机交互的功能需求也越来越多，因此则需要更加综合性的多功能安全控制器去处理安全控制和人机交互过程。

相关技术中，安全控制器在机器人安全系统领域中使用时，没有充分考虑安全理念，没有考虑内外部电源的电气隔离，存在安全隐患。

发明内容

通过对安全控制器的内部电源进行电气隔离，提高安全控制器的安全性，本申请提供一种用于机器人的安全控制器。

本申请提供一种用于机器人的安全控制器，采用如下的技术方案：

一种用于机器人的安全控制器，包括综合控制模块和连接在综合控制模块上的电源控制模块，所述综合控制模块上连接有DIO模块和AIO模块，所述电源控制模块包括用于给综合控制模块供电的220V电源供给模块、用于给机器人供电的48V电源供给模块、用于给DIO模块和AIO模块供电的24V电源供给模块。

通过采用上述技术方案，将电源控制模块从综合控制模块中分离开来，实现电气上的隔离保护作用，也方便后续设置控制柜来对强弱电进行划分，相比于单纯的安全信号处理控制器，设置48V电源供给模块，把直接给机器人供电的48V功率电源的控制集成到控制器上，实现更加安全有效控制。

优选的，所述综合控制模块包括数字信号处理器和工业总线通信处理器，所述数字信号处理器为DSP微处理器，所述工业总线通信处理器为EtherCAT工业总线通信芯片。

通过采用上述技术方案，DSP对比STM32等微处理器，在运算速度有很大的提升，降低各种控制逻辑输出的延迟时间。高性能的200MHz主频双核DSP微处理器配合专用的EtherCAT工业总线通信芯片，使得安全控制器的整体性能以及通信速度上都得到提升，双核的处理器把通信的协议栈与控制放在不同的核上处理，进一步提升通信速度，同时利用EtherCAT工业总线通信芯片的GPIO功能，与DSP同时对关键信号采集与控制实现双系统双通道的冗余设计。EtherCAT工业总线通信芯片与DSP之间通信使用的是成熟的EtherCAT协议，避免设计双系统校验部分，相比纯粹的多处理器冗余，可以充分发挥每个模块的硬件资源，节省成本，且能有效避免因为相同处理器遇到相同问题时同时出现逻辑错误的可能性。

优选的，所述48V电源供给模块包括48V输入端和48V输出端，所述48V输入端与数字信号处理器之间设有第一电流检测组件，所述48V输出端通过MOS管与数字信号处理器之间连接。

通过采用上述技术方案，设置48V电源供给模块，使需要控制的机器人设备从220V输入电源到48V的功率电源都能实现，通过电流能达到40A，满足一般机器人的功率要求。

优选的，所述24V电源供给模块包括24V输入端、24V输出端，所述24V输入端与数字信号处理器之间设有第二电流检测组件，所述24V输出端与数字信号处理器之间设有开关组件和DC/DC模块。

通过采用上述技术方案，设置24V电源供给模块，可向外部设备提供可控的24V的电源输出，控制器上集成多种DC/DC电路，以满足控制器不同电平的需求。

优选的，所述220V电源供给模块包括220V输入端、220V输出端，所述220V输入端和220V输出端之间并联有两个继电器，所述电源输入端和电源输出端之间还连接有AC/DC转换器，所述交直流转换器与综合控制模块之间设有光电耦合器。

通过采用上述技术方案，220V电源供给模块采用双继电器回路控制，并有硬件上的电压阀值信号提供电压反馈功能，低压信号使用光电耦合器与高压侧隔离。

优选的，所述综合控制模块上设有12V电源供给模块，所述12V电源供给模块通过DC/DC模块与数字信号处理器连接，所述12V电源供给模块还通过MOS管与电源控制模块连接。

通过采用上述技术方案，设置12V电源供给模块，向外部设备提供可控的电源输出，实现外部设备的供电需求，同时实现220V电源供给模块上的供电。

优选的，所述综合控制模块上连接有外设模块，所述外设模块包括手柄、显示屏、控制系统和通信系统。

通过采用上述技术方案，手柄、显示屏、控制系统和通信系统构成安全控制器丰富的外部设备，手柄提供急停，开关机，停止，运行，暂停，模式切换，速度加减、状态显示指示灯等功能，显示屏用于显示到关键信息，实现手柄人机交互，显示屏信息显示。

优选的，所述手柄上设有用于发出急停信号的急停按钮，所述急停信号通过MOS管作用于光电耦合器。

通过采用上述技术方案，手柄的急停按钮发出的急停信号作用于光电耦合器，通过光电耦合器作用于220V电源供给模块，使得系统失效后急停信号依旧能有效关闭电源。

优选的，所述12V电源供给模块通过多个DC/DC模块分别给手柄、显示屏、控制系统和通信系统供电

通过采用上述技术方案，设置12V电源供给模块，向外部设备提供可控的电源输出，实现外部设备的供电需求。

优选的，所述DIO模块包括DI采集芯片、连接在DI采集芯片上的DI接口、DO输出芯片和连接在DO输出芯片上的DO接口，所述AIO模块包括ADC芯片、连接在ADC芯片上的AI接口、DAC芯片、连接在DAC芯片上的AO接口

通过采用上述技术方案，在DIO模块和AIO模块使用的都是带电气隔离的专用芯片，使得在使用外部24V对此部分供电时，将是完全意义上的电气隔离，即与内部完全不共地，这样使得对微处理器等一些内部弱电部分起到很好的保护作用，避免因为外部恶劣的电源环境而造成整个控制器的失效。

综上所述，本申请的有益技术效果：

将电源控制模块从综合控制模块中分离开来，实现电气上的隔离保护作用，也方便后续设置控制柜来对强弱电进行划分，相比于单纯的安全信号处理控制器，设置48V电源供给模块，把直接给机器人供电的48V功率电源的控制集成到控制器上，实现更加安全有效控制。

附图说明

图1是本申请实施例的逻辑框图；

图2是本申请实施例的AIO模块和DIO模块的逻辑框图；

图3是本申请实施例的电源控制模块的逻辑框图；

图4是本申请实施例的220V电源供给模块的逻辑框图；

图5是本申请实施例的48V电源供给模块和24V电源供给模块的逻辑框图；

图6是本申请实施例的外设模块的电源拓扑图。

附图标记说明：1、综合控制模块；2、电源控制模块；3、数字信号处理器；4、工业总线通信处理器；5、DIO模块；6、AIO模块；7、DI采集芯片；8、DI接口；9、DO输出芯片；10、DO接口；11、ADC芯片；12、AI接口；13、DAC芯片；14、AO接口；15、220V电源供给模块；16、48V电源供给模块；17、24V电源供给模块；18、12V电源供给模块；19、220V输入端；20、220V输出端；21、AC/DC转换器；22、光电耦合器；23、48V输入端；24、48V输出端；25、第一电流检测组件；26、24V输入端；27、24V输出端；28、第二电流检测组件；29、开关组件；30、DC/DC模块；31、外设模块。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本申请实施例公开一种用于机器人的安全控制器，包括综合控制模块1和连接在综合控制模块1上的电源控制模块2。将电源控制模块2从综合控制模块1中分离开来，实现电气上的隔离保护作用，也方便后续设置控制柜来对强弱电进行划分。

综合控制模块1包括数字信号处理器3和工业总线通信处理器4，数字信号处理器3为DSP微处理器，工业总线通信处理器4为EtherCAT工业总线通信芯片。DSP对比STM32等微处理器，在运算速度有很大的提升，降低各种控制逻辑输出的延迟时间。高性能的200MHz主频双核DSP微处理器配合专用的EtherCAT工业总线通信芯片，使得安全控制器的整体性能以及通信速度上都得到提升，双核的处理器把通信的协议栈与控制放在不同的核上处理，进一步提升通信速度，同时利用EtherCAT工业总线通信芯片的GPIO功能，与DSP同时对关键信号采集与控制实现双系统双通道的冗余设计。EtherCAT工业总线通信芯片与DSP之间通信使用的是成熟的EtherCAT协议，避免设计双系统校验部分，相比纯粹的多处理器冗余，可以充分发挥每个模块的硬件资源，节省成本，且能有效避免因为相同处理器遇到相同问题时同时出现逻辑错误的可能性。

如图1所示，综合控制模块1上连接有DIO模块5和AIO模块6。

如图2所示，DIO模块5包括连接在数字信号处理器3上的DI采集芯片7、连接在DI采集芯片7上的DI接口8、连接在数字信号处理器3上的DO输出芯片9和连接在DO输出芯片9上的DO接口10。

AIO模块6包括连接在数字信号处理器3上的ADC芯片11、连接在ADC芯片11上的AI接口12、连接在数字信号处理器3上的DAC芯片13、连接在DAC芯片13上的AO接口14。在DIO模块5和AIO模块6使用的都是带电气隔离的专用芯片，使得在使用24V对DIO模块5和AIO模块6供电时，实现电气隔离，即与内部完全分离，这样可以对微处理器等一些内部弱电部分起到很好的保护作用，避免因为外部恶劣的电源环境而造成整个控制器的失效。

如图3所示，电源控制模块2包括220V电源供给模块15、48V电源供给模块16、24V电源供给模块17、12V电源供给模块18。其中，220V电源供给模块15用于给综合控制模块1供电，48V电源供给模块16用于给机器人供电，24V电源供给模块17用于给DIO模块5和AIO模块6供电，12V电源供给模块18用于向外部设备提供可控的电源输出。

如图4所示，220V电源供给模块15包括220V输入端19和220V输出端20。其中，220V输入端19和220V输出端20之间并联有两个继电器，实现双继电器的回路控制。

电源输入端和电源输出端之间还连接有AC/DC转换器21，交直流转换器与综合控制模块1之间连接有光电耦合器22。硬件上的电压阀值信号提供电压反馈功能，低压信号使用光电耦合器22与高压侧隔离。

如图5所示，48V电源供给模块16包括48V输入端23和48V输出端24。48V输入端23与数字信号处理器3之间设置有第一电流检测组件25，48V输出端24通过MOS管与数字信号处理器3之间连接。相比于单纯的安全信号处理控制器，设置48V电源供给模块16，把直接给机器人供电的48V功率电源的控制集成到控制器上，实现更加安全有效控制。同时，设置48V电源供给模块16，使需要控制的机器人设备从220V输入电源到48V的功率电源都能实现，通过电流能达到40A，满足一般机器人的功率要求。

如图5所示，24V电源供给模块17包括24V输入端26、24V输出端27，24V输入端26与数字信号处理器3之间设置有第二电流检测组件28，24V输出端27与数字信号处理器3之间设有开关组件29和DC/DC模块30。24V电源供给模块17向DIO模块5和AIO模块6提供可控的24V的电源输出。

如图1和图6所示，综合控制模块1上连接有外设模块31，外设模块31包括手柄、显示屏、控制系统和通信系统。手柄、显示屏、控制系统和通信系统构成安全控制器丰富的外部设备，手柄提供急停，开关机，停止，运行，暂停，模式切换，速度加减、状态显示指示灯等功能，显示屏用于显示到关键信息，实现手柄人机交互，显示屏信息显示。

如图4所示，手柄上设有用于发出急停信号的急停按钮，急停信号通过MOS管作用于光电耦合器22。手柄的急停按钮发出的急停信号作用于光电耦合器22，通过光电耦合器22作用于220V电源供给模块15，使得系统失效后急停信号依旧能有效关闭电源。

如图4和图6所示，12V电源供给模块18通过DC/DC模块30与数字信号处理器3连接，12V电源供给模块18还通过MOS管与电源控制模块2连接。12V电源供给模块18通过多个DC/DC模块30分别给手柄、显示屏、控制系统和通信系统供电，实现外部设备的供电需求。

实施功能为：

1、通过手柄开关机按键实现整个控制器进行开机关机等动作。

2、通过手柄的运行，暂停，停止，急停等按钮控制机器人的状态。

3、对所有电压值以及24V电流值，48V电流值进行采集并监控，并具有过流保护功能且能在液晶显示屏上显示。

4、由主站数据控制的DIO和AIO功能，并能在液晶屏上显示输出结果。

5、将电源控制模块2从综合控制模块1中分离开来，实现电气上的隔离保护作用，也方便后续设置控制柜来对强弱电进行划分。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种用于机器人的安全控制器，其特征在于：包括综合控制模块（1）和连接在综合控制模块（1）上的电源控制模块（2），所述综合控制模块（1）上连接有DIO模块（5）和AIO模块（6），所述电源控制模块（2）包括用于给综合控制模块（1）供电的220V电源供给模块（15）、用于给机器人供电的48V电源供给模块（16）、用于给DIO模块（5）和AIO模块（6）供电的24V电源供给模块（17）。

2.根据权利要求1所述的一种用于机器人的安全控制器，其特征在于：所述综合控制模块（1）包括数字信号处理器（3）和工业总线通信处理器（4），所述数字信号处理器（3）为DSP微处理器，所述工业总线通信处理器（4）为EtherCAT工业总线通信芯片。

3.根据权利要求2所述的一种用于机器人的安全控制器，其特征在于：所述48V电源供给模块（16）包括48V输入端（23）和48V输出端（24），所述48V输入端（23）与数字信号处理器（3）之间设有第一电流检测组件（25），所述48V输出端（24）通过MOS管与数字信号处理器（3）之间连接。

4.根据权利要求2所述的一种用于机器人的安全控制器，其特征在于：所述24V电源供给模块（17）包括24V输入端（26）、24V输出端（27），所述24V输入端（26）与数字信号处理器（3）之间设有第二电流检测组件（28），所述24V输出端（27）与数字信号处理器（3）之间设有开关组件（29）和DC/DC模块（30）。

5.根据权利要求1所述的一种用于机器人的安全控制器，其特征在于：所述220V电源供给模块（15）包括220V输入端（19）、220V输出端（20），所述220V输入端（19）和220V输出端（20）之间并联有两个继电器，所述电源输入端和电源输出端之间还连接有AC/DC转换器（21），所述交直流转换器与综合控制模块（1）之间设有光电耦合器（22）。

6.根据权利要求5所述的一种用于机器人的安全控制器，其特征在于：所述综合控制模块（1）上设有12V电源供给模块（18），所述12V电源供给模块（18）通过DC/DC模块（30）与数字信号处理器（3）连接，所述12V电源供给模块（18）还通过MOS管与电源控制模块（2）连接。

7.根据权利要求5所述的一种用于机器人的安全控制器，其特征在于：所述综合控制模块（1）上连接有外设模块（31），所述外设模块（31）包括手柄、显示屏、控制系统和通信系统。

8.根据权利要求7所述的一种用于机器人的安全控制器，其特征在于：所述手柄上设有用于发出急停信号的急停按钮，所述急停信号通过MOS管作用于光电耦合器（22）。

9.根据权利要求8所述的一种用于机器人的安全控制器，其特征在于：所述12V电源供给模块（18）通过多个DC/DC模块（30）分别给手柄、显示屏、控制系统和通信系统供电。

10.根据权利要求1所述的一种用于机器人的安全控制器，其特征在于：所述DIO模块（5）包括DI采集芯片（7）、连接在DI采集芯片（7）上的DI接口（8）、DO输出芯片（9）和连接在DO输出芯片（9）上的DO接口（10），所述AIO模块（6）包括ADC芯片（11）、连接在ADC芯片（11）上的AI接口（12）、DAC芯片（13）、连接在DAC芯片（13）上的AO接口（14）。