本發(fā)明屬于自動化控制領(lǐng)域，具體涉及一種用于通用機器人的多功能IO模塊。

背景技術(shù)：

機器人是先進制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)展方向，是衡量一個國家制造業(yè)水平和核心競爭力的重要標志。機器人在當今生產(chǎn)、生活中應(yīng)用越來越廣泛，正在替代人工勞作方面發(fā)揮著日益重要的作用。隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、新型感知等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，機器人技術(shù)的開發(fā)速度越來越快，智能化程度越來越高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，在工業(yè)生產(chǎn)、社會服務(wù)、教育娛樂、海洋開發(fā)、宇宙探測、國防安全等各個領(lǐng)域，機器人都有著廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

隨著機器人的不斷智能化和先進性的發(fā)展，對機器人的核心控制器內(nèi)部資源的要求也越來越高，機器人要開發(fā)更多的功能，連接越來越多的外部設(shè)備，則需要越來越多的IO資源，由于機器人控制器內(nèi)部IO口資源的限制，當機器人內(nèi)部IO資源不足時，需要外接一種能夠提供豐富的IO通訊接口的模塊，以達到輕松實現(xiàn)與周邊設(shè)備進行通信的目的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的公開了一種用于機器人的多功能IO模塊，可通過PCI總線與機器人控制柜相連，可以實現(xiàn)機器人控制器與外部設(shè)備之間信號的電平轉(zhuǎn)換處理與傳輸。

技術(shù)方案：一種用于機器人的多功能IO模塊，包括電源接口單元(CN1)、外部設(shè)備輸入接口單元(CN2)、外部設(shè)備輸出接口單元(CN3)、輸入IO處理單元、輸出IO處理單元；其中電源接口單元包括內(nèi)部電源接口和外部電源接口；外部設(shè)備輸入接口單元(CN2)接收外部設(shè)備發(fā)送的外部信號(IN)，送至輸入IO處理單元進行處理，處理后的外部信號送至機器人控制器；輸出IO處理單元接收機器人控制器發(fā)送的內(nèi)部信號，將內(nèi)部信號進行處理后通過外部設(shè)備輸出接口單元(CN3)發(fā)送至外部設(shè)備。

具體地，電源接口單元包括內(nèi)部電源接口和外部電源接口，其中內(nèi)部電源接口由機器人供電，外部電源接口由其他電源供電；外部電源包括外部V24_EX和V3.3_EX電源，內(nèi)部電源包括V24_IN和V3.3_IN；若使用內(nèi)部電源，則將V24_EX與V24_IN短接，G24_EX與G24_IN短接，V3.3_EX與V3.3_IN短接，G3.3_EX與G3.3_IN短接；若使用外部電源，則直接將V24_EX于V3.3_EX與外部電源相連。

具體地，外部設(shè)備輸入接口單元包括若干組輸入IO口和每組輸入IO口的有效電平控制口。

具體地，外部設(shè)備輸出接口單元包括若干組輸出IO口和每組輸出IO口的有效電平控制口。

具體地，輸入IO處理單元包括第一發(fā)光二極管(LED1)、第二發(fā)光二極管(LED2)、第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)、第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、第一電容(C1)和雙向光耦(PC1)；

其中外部設(shè)備發(fā)送的外部信號(IN)接第一發(fā)光二極管(LED1)的陰極、第二發(fā)光二極管(LED2)的陽極；第一發(fā)光二極管(LED1)的陽極、第二發(fā)光二極管(LED2)的陰極共同連接至第二電阻(R2)的一端；第一電阻(R1)與第一發(fā)光二極管(LED1)并聯(lián)；第二電阻(R2)的一端接第一發(fā)光二極管(LED1)的陽極，另一端接雙向光耦(PC1)的2腳；第三電阻(R3)與第一電容(C1)并聯(lián)至雙向光耦(PC1)的1腳與2腳，雙向光耦(PC1)的1腳連接至ComIn信號；雙向光耦(PC1)的3腳連接第四電阻(R4)的一端和第五電阻(R5)的一端，第五電阻(R5)的另一端將信號送至機器人控制器，第四電阻(R4)的另一端接電源信號V3.3_EX；雙向光耦(PC1)的4腳接電源信號G3.3_EX。

具體地，輸出IO處理單元包括第六電阻(R6)、第七電阻(R7)、第八電阻(R8)、輸出光耦(PC2)、三極管(Q1)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、繼電器(K1)、第一雙端排針(J1)、第二雙端排針(J2)、第三雙端排針(J3)；

其中機器人控制器發(fā)送的內(nèi)部信號通過第六電阻(R6)連接至輸出光耦(PC2)的1腳，輸出光耦(PC2)的2腳與外部電源信號G3.3_EX相連，第七電阻(R7)并聯(lián)至輸出光耦(PC2)的1腳與2腳之間；輸出光耦(PC2)的3腳與三極管(Q1)的c腳、第一二極管(D1)的陰極、第二二極管(D2)的陽極、繼電器(K1)的2腳和第三雙端排針(J3)的一端連接；第二二極管(D2)的陰極與繼電器(K1)的1腳共同連接于外部電源V24_EX；第三雙端排針(J3)并聯(lián)至繼電器(K1)的2腳與4腳之間；輸出光耦(PC2)的4腳與三極管(Q1)的b腳連接；第八電阻(R8)并聯(lián)至三極管(Q1)的b腳與e腳之間；三極管(Q1)的e腳與第一二極管(D1)的陽極連接至ComOut信號；第二雙端排針(J2)并聯(lián)至ComOut信號與繼電器(K1)的3腳之間；第一雙端排針(J1)并聯(lián)至ComOut信號與外部電源地信號G24_EX之間；繼電器(K1)的3腳引出的信號為OUTCOM信號，繼電器(K1)的4腳引出的信號為輸出OUT信號。

有益效果：本發(fā)明公開的多功能IO模塊具有以下優(yōu)點：1、可切換內(nèi)部電源和外部電源，節(jié)約內(nèi)部電源資源；2、輸入IO處理單元和輸出IO處理單元可以將輸入或輸出信號配置成高電平有效或低電平有效，兩種電平方式可選，靈活方便；3、兩種輸出方式可選，分別為繼電器輸出和非繼電器輸出方式，若對輸出電流要求較高，則采用繼電器輸出，否則采用非繼電器輸出；4、IO口資源豐富，可擴展性強，多個IO模塊疊加可擴展成更多位的IO模塊。

附圖說明

圖1為本發(fā)明公開的用于機器人的多功能IO模塊組成與連接示意圖；

圖2為本發(fā)明公開的用于機器人的多功能IO模塊中電源接口單元示意圖；

圖3為實施例中外部輸入接口單元和外部設(shè)備輸出接口單元的示意圖；

圖4為實施例中輸入IO處理單元的示意圖；

圖5為實施例中輸出IO處理單元的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發(fā)明。

如圖1所示，一種用于機器人的多功能IO模塊，包括電源接口單元、外部設(shè)備輸入接口單元、輸入IO處理單元、輸出IO處理單元、外部設(shè)備輸出接口單元；其中電源接口單元包括內(nèi)部電源接口和外部電源接口；外部設(shè)備輸入接口單元接收外部設(shè)備發(fā)送的外部信號，送至輸入IO處理單元進行處理，處理后的外部信號送至機器人控制器；輸出IO處理單元接收機器人控制器發(fā)送的內(nèi)部信號，將內(nèi)部信號進行處理后通過外部設(shè)備輸出接口單元發(fā)送至外部設(shè)備。

如圖2所示，電源接口單元(CN1)包括內(nèi)部電源接口和外部電源接口，內(nèi)部電源接口由機器人供電，外部電源接口由其他電源供電；外部電源包括外部V24_EX和V3.3_EX電源，內(nèi)部電源包括V24_IN和V3.3_IN；若使用內(nèi)部電源，則將V24_EX與V24_IN短接，G24_EX與G24_IN短接，V3.3_EX與V3.3_IN短接，G3.3_EX與G3.3_IN短接；若使用外部電源，則直接將V24_EX于V3.3_EX與外部電源相連。

本實施例以32位輸入IO口和32位輸出IO口為例。

如圖3(a)所示，外部設(shè)備輸入接口單元CN2共32個IO口，分為4組，每組8個接口；第一組輸入IO口IN1-IN8信號電平有效方式一致，跟隨第一組的有效電平控制口INCOM1的信號；第二組輸入IO口IN9-IN16信號電平有效方式一致，跟隨第二組的有效電平控制口INCOM2的信號；第三組輸入IO口IN17-IN24信號電平有效方式一致，跟隨第三組的有效電平控制口INCOM3的信號；第四組輸入IO口IN25-IN32信號的電平有效方式一致，跟隨第四組的有效電平控制口INCOM4信號；外部設(shè)備通過線纜或連接器與CN2的輸入IO口連接，可以進行32位數(shù)據(jù)的并行輸入。

如圖3(b)所示，外部設(shè)備輸出接口單元CN3共32個IO口，分為4組，每組8個接口；第一組輸出IO口OUT1-OUT8信號電平有效方式一致，跟隨第一組的有效電平控制口OUTCOM1的信號；第二組輸出IO口OUT9-OUT16信號電平有效方式一致，跟隨第二組的有效電平控制口OUTCOM2的信號；第三組輸出IO口OUT17-OUT24信號電平有效方式一致，跟隨第三組的有效電平控制口OUTCOM3的信號；第四組輸出IO口OUT25-OUT32信號的電平有效方式一致，跟隨第四組的有效電平控制口OUTCOM4信號。外部設(shè)備通過線纜或連接器與CN3的輸出IO口連接，可以進行32位數(shù)據(jù)的并行輸出。

CN2接收的每一路輸入數(shù)據(jù)(INx，x＝1..32)，通過輸入IO處理單元的處理后發(fā)送至機器人控制器。如圖4(a)所示，一路輸入信號(IN)的輸入IO處理單元包括第一發(fā)光二極管(LED1)、第二發(fā)光二極管(LED2)、第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)、第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、第一電容(C1)和雙向光耦(PC1)；其中外部設(shè)備發(fā)送的外部輸入信號(IN)接第一發(fā)光二極管(LED1)的陰極、第二發(fā)光二極管(LED2)的陽極；第一發(fā)光二極管(LED1)的陽極、第二發(fā)光二極管(LED2)的陰極共同連接至第二電阻(R2)的一端；第一電阻(R1)與第一發(fā)光二極管(LED1)并聯(lián)；第二電阻(R2)的一端接第一發(fā)光二極管(LED1)的陽極，另一端接雙向光耦(PC1)的2腳；第三電阻(R3)與第一電容(C1)并聯(lián)至雙向光耦(PC1)的1腳與2腳，雙向光耦(PC1)的1腳連接至ComIn信號；雙向光耦(PC1)的3腳連接第四電阻(R4)的一端和第五電阻(R5)的一端，第五電阻(R5)的另一端將信號送至機器人控制器，第四電阻(R4)的另一端接電源信號V3.3_EX；雙向光耦(PC1)的4腳接電源信號G3.3_EX。

雙向光耦(PC1)既可以將輸入配置成高電平有效，又可以配置為低電平有效；如果ComIn接高電平，輸入IN則配置為低電平有效，此時發(fā)光二極管LED1亮，若ComIn接低電平，輸入IN則配置為高電平有效，此時發(fā)光二極管LED2亮。

對于32位輸入IO口，分為4組，每一組輸入信號的輸入IO處理單元共用一個ComIn信號，這樣共需要4個ComIn信號。通過設(shè)置ComIn的高低電平可以將輸入配置為高電平有效或低電平有效，如果ComIn接高電平，輸入IN則配置為低電平有效，若ComIn接低電平，輸入IN則配置為高電平有效。4個ComIn信號編號為ComIn1-ComIn4，連接至CN4，如圖4(b)所示。其中CN4是一個通用連接器，本實施例中采用的型號為B4P-VH(LF)(SN)。

機器人控制器發(fā)出的內(nèi)部輸出信號經(jīng)過輸出IO處理單元的處理后通過外部設(shè)備輸出接口單元(CN3)發(fā)送至外部設(shè)備。如圖5(a)所示，一路輸出IO處理單元包括第六電阻(R6)、第七電阻(R7)、第八電阻(R8)、輸出光耦(PC2)、三極管(Q1)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、繼電器(K1)、第一雙端排針(J1)、第二雙端排針(J2)、第三雙端排針(J3)；其中機器人控制器發(fā)送的內(nèi)部信號通過第六電阻(R6)連接至輸出光耦(PC2)的1腳，輸出光耦(PC2)的2腳與外部電源信號G3.3_EX相連，第七電阻(R7)并聯(lián)至輸出光耦(PC2)的1腳與2腳之間；輸出光耦(PC2)的3腳與三極管(Q1)的c腳、第一二極管(D1)的陰極、第二二極管(D2)的陽極、繼電器(K1)的2腳和第三雙端排針(J3)的一端連接；第二二極管(D2)的陰極與繼電器(K1)的1腳共同連接于外部電源V24_EX；第三雙端排針(J3)并聯(lián)至繼電器(K1)的2腳與4腳之間；輸出光耦(PC2)的4腳與三極管(Q1)的b腳連接；第八電阻(R8)并聯(lián)至三極管(Q1)的b腳與e腳之間；三極管(Q1)的e腳與第一二極管(D1)的陽極連接至ComOut信號；第二雙端排針(J2)并聯(lián)至ComOut信號與繼電器(K1)的3腳之間；第一雙端排針(J1)并聯(lián)至ComOut信號與外部電源地信號G24_EX之間；繼電器(K1)的3腳引出的信號為OUTCOM信號，連接至CN3的有效電平控制口，繼電器(K1)的4腳引出的信號為輸出OUT信號，連接至CN3的輸出IO口。

本實施例可以進行32位數(shù)據(jù)的并行輸出，每一路數(shù)據(jù)通過CN3的輸出IO口發(fā)送至外部設(shè)備；32位輸出數(shù)據(jù)分為4組，每一組輸出信號的輸出IO處理單元共用一個ComOut信號，這樣共需要4個ComOut信號，作為輸出OUT信號的跟隨信號來配置輸出OUT信號，將ComOut編號為ComOut1-ComOut4，連接至CN5，如圖5(b)所示。CN5是一個通用連接器，本實施例中采用的型號為B4P-VH(LF)(SN)。

當輸出需要較大的輸出電流時，使用繼電器輸出，將雙端排針J1用短路帽短接，雙端排針J2和J3不接，此時ComOut信號接外部電源地信號G24_EX，當機器人控制器輸出高電平時，輸出光耦PC2工作，輸出光耦PC2的3腳信號為0V，此時繼電器K1線圈通電工作，輸出OUT信號跟隨OUTCOM的信號，若OUTCOM為高電平，則輸出OUT信號為高電平，若OUTCOM為低電平，則輸出OUT為低電平；如果輸出不需要較大的電流，則可不使用繼電器輸出，將雙端排針J2和J3用短路帽進行短接，雙端排針J1則不接，將ComOut與OUTCOM連接在一起，此時ComOut信號跟隨OUTCOM信號，PC2工作后，若OUTCOM接高電平，則ComOut信號為高電平，因此輸出OUT信號為高電平，若OUTCOM接低電平，則ComOut信號為低電平，因此輸出OUT信號為低電平。