一种用于机器人的多功能IO模块的制作方法

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。

技术实现要素：

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。