塔式起重机吊钩安全状态监控装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种塔式起重机吊钩安全状态监控装置和控制方法，所述监控装置，包括数据处理单元、三维用户交互界面、电机速率检测器、电机制动器、障碍物距离传感器、挂物平面几何尺寸监测装置和挂物重力传感器；其中，障碍物距离传感器、挂物平面几何尺寸监测装置、挂物重力传感器、电机速率检测器、电机制动器和三维用户交互界面分别与数据处理单元相连接；所述的控制方法，包括7个步骤；有益技术效果：本发明专利技术能够根据传感器判断吊钩周边障碍物位置情况，通过数据分析处理，建立吊物与障碍物的三维模型，通过三维交互界面直观的呈现给塔吊操作人员，防止了由于参照物选择错误而导致安全事故的发生。

Tower crane hook safety state monitoring device and control method

The invention provides a tower crane hook safety monitoring device and control method, the monitoring device, comprising a data processing unit, 3D user interface, motor speed detector, motor brake, obstacle distance sensor, hanging plane geometry monitoring device and a hanging gravity sensor; which connected the obstacle distance sensor, hanging plane geometry monitoring device, hanging gravity sensor, motor, brake motor rate detector and 3D user interface and data processing unit; the control method, including 7 steps; the beneficial effects of the invention: according to the sensor to determine the position of the obstacle around the hook, through data analysis and processing the establishment of three-dimensional model, hanging objects and obstacles, through three-dimensional interface visual presentation to the tower crane The operator prevents the occurrence of a safety accident due to a selection error of the reference object.

【技术实现步骤摘要】
塔式起重机吊钩安全状态监控装置及控制方法
本专利技术是关于建筑起重机机械领域，涉及一种塔式起重机吊勾挂物安全状态监控装置及控制方法。
技术介绍
塔式起重机是现代工业与民用建筑的主要施工机械之一，塔式起重机的起升高度和工作幅度的性能优势，使其在高层建筑施工中被广泛应用。由于塔式起重机的高空作业特点，其诱发不安全因素较多。高层的塔式起重机在吊物过程中，由于操作员视线原因，不能及时有效的避让障碍物，部分塔式起重机配备有摄像头等设备，授权公告号CN205087823U的专利技术专利公开的《塔吊吊钩视频追踪辅助操作装置》提供的视频画面，虽然能观察到吊物情况，但由于不能数据化的显示吊物尺寸，以及吊物与障碍物间的实际距离，容易导致因为操作人员误判距离而诱发安全事故的发生，授权公告号CN204906535U的专利技术专利公开的《一种监视塔吊吊钩位置的无线视频监控装置》同样是根据视屏画面进行吊钩的位置监控，操作人员需要借住视频画面周围参照物判定吊物与障碍距离，对吊物观察不够直观，给操作带来不便，吊物状态数据不能数字化，对于后期控制操作造成不便。通过以上总结发现，现有塔吊视频监控，由于摄像画面单一，对驾驶员的操作造成了诸多不便，容易导致镜头死角安全事故的诱发。所以，国家和各地方有关行政管理部门对塔式起重机操作员有着严格的技术要求，但还是难以避免由于视觉障碍导致的大型事故的发生。近年来，由于塔式起重机操作视觉误差，导致重物误撞指挥员，重物刮碰障碍物导致负载加大等事故时有发生，操作员操作过程中，对吊物周围环境的实时监控便显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术中的不足，通过传感器测量，三维建立吊物的实时体积模型，并根据传感器判断吊钩周边障碍物位置情况，通过数据分析处理，建立吊物与障碍物的三维模型，通过三维交互界面直观的呈现给塔吊操作人员。并根据数据分析直观的以数据形式显示出吊钩运动速度、吊物尺寸大小、吊物与障碍物距离，便于操作人员操作，防止了由于参照物选择错误而导致安全事故的发生。数据处理模块根据设置安全距离，自动报警提示操作人员，并采取自动反馈制动电机运动的方式，达到避让障碍物目的。塔式起重机吊钩安全状态监控装置，包括数据处理单元13、三维用户交互界面16、电机速率检测器14、电机制动器15、障碍物距离传感器2、挂物平面几何尺寸监测装置3和挂物重力传感器19。其中，障碍物距离传感器2、挂物平面几何尺寸监测装置3、挂物重力传感器19、电机速率检测器14、电机制动器15和三维用户交互界面16分别与数据处理单元13相连接。所述塔式起重机包含起重机吊钩、塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机，起重机吊钩用以挂物。障碍物距离传感器2安装在起重机吊钩的两侧。障碍物距离传感器2为超声波传感器，通过超声波反射，测量起重机吊钩与周围障碍物之间的距离，并将起重机吊钩与障碍物间的距离信息反馈至数据处理单元13，经数据处理单元13处理后显示于三维用户交互界面16上。挂物平面几何尺寸监测装置3，安装于起重机吊钩上部，实时测量与起重机吊钩相连的挂物尺寸，并将挂物尺寸信息发送至数据处理单元13，经数据处理单元13处理后显示于三维用户交互界面16上。挂物重力传感器19与起重机吊钩相连，负责测量起重机吊钩所吊运挂物的重量，并将挂物重量的测量信号发送至数据处理单元13。电机速率检测器14有3个，分别安装在塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机上，将塔吊吊钩电机的工作信息、变幅小车电机的工作信息和塔身旋转电机的工作信息分别发至数据处理单元13。电机制动器15有3个，分别与塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机相连，电机制动器15在数据处理单元13的指令下，将对应的塔吊吊钩电机、变幅小车电机和/或塔身旋转电机紧急制动。三维用户交互界面16，一方面负责将用户输入的挂物材料信息传送至数据处理单元13，另一方面将经数据处理单元13处理后的数据显示出来。三维用户交互界面16为触摸式显示器，具有显示和输入的双重功能。数据处理单元13负责将障碍物距离传感器2、挂物平面几何尺寸监测装置3、挂物重力传感器19、电机速率检测器14和三维用户交互界面16反馈的信息转换成可视信息，并通过三维用户交互界面16显示出来。数据处理单元13负责对障碍物距离传感器2、挂物平面几何尺寸监测装置3、挂物重力传感器19、电机速率检测器14和三维用户交互界面16反馈的信息进行数据处理结果，通过电机制动器15对塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机进行控制，防止由于操作人员操作失误导致的安全事故的作用。采用塔式起重机吊钩安全状态监控装置的控制方法，按如下步骤进行：步骤1：将挂物12吊至于起重机吊钩1中。步骤2：挂物平面几何尺寸监测装置3运行，实现对挂物12表面尺寸的测量，并将测量信号发送至数据处理单元13，由数据处理单元13实现挂物12平面尺寸的建模，获得工件尺寸。步骤3：由吊物重力传感器19测量挂物重量，将测量信号发送至数据处理单元13。步骤4：由用户在三维用户交互界面16输入挂物的材料，数据处理单元13根据挂物的材料所对应的密度、步骤2获得的工件尺寸、步骤3获得的挂物重量，计算出挂物12的高度。具体为，由置于吊钩内部的重力传感器测量工件重量，由操作员在用户交互界面16手动选择工件材料，数据处理单元13根据密度计算公式计算得到工件体积V，再根据工件水平面积（由步骤2获得的工件尺寸得到的估计值）估算出工件高度h，并完成三维建模工作，发送至三维用户交互界面16，以三维工件模型展示给操作员。在工件运输过程中，由于风力、运动惯性等原因会改变工件的位姿状态，故挂物平面几何尺寸监测装置3持续工作，在挂物运输过程中持续扫描工件表面，通过持续扫描可将工件最新位姿状态显示与人机交互界面16，便于操作员操作。需要特别指出的是，本专利技术之所以选用曲柄摇臂机构10，就是考虑到曲柄摇臂机构10具有很好的急回特性，且电机单向转动，能完成超声波测头的往返运动。步骤5：由数据处理单元13进行数据建模处理，将三维模型显示于三维用户交互界面16，便于操作人员观察。步骤6：由障碍检测装置2实时探测起重机吊钩1水平面内障碍距离，并将数据信息传送至数据处理单元13，由数据处理单元13将平面障碍物进行垂直平面建模，获得障碍物距离，并显示于三维人机交互界面16上。步骤7：由电机速率检测器14实时读取塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机转速，并将数据内容发送至数据处理单元13，数据处理单元13将步骤2获得的工件尺寸与步骤6获得的障碍物距离、本步骤6获得的各电机转速信息进行分析比较：当电机速度在运动方向上规定时间（人工设定的参数值）内将撞于障碍物，则数据处理单元（13）发送报警信号至人机交互界面（16）。若达到设定制动距离（人工设定的参数值），而用户未能及时处理报警信息，则数据处理单元（13）发射制动信号至电机制动器（15），制动电机，保持工件与障碍安全距离。进一步说，本专利技术中三维建模测量工作主要由挂物平面几何尺寸监测装置完成，其机械结构包括：电机、超声波传感器、外壳、斜齿轮组、曲柄摇臂机构、中央斜齿轮。其连接特征为：驱动电机由螺栓固定在外壳上，通过斜齿轮将运动形式传递至中央斜齿轮，中央斜齿轮转动带动均分在圆周上的八组本文档来自技高网...

【技术保护点】
塔式起重机吊钩安全状态监控装置，所述塔式起重机包含起重机吊钩、塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机，起重机吊钩用以挂物，其特征在于，包括数据处理单元（13）、三维用户交互界面（16）、电机速率检测器（14）、电机制动器（15）、障碍物距离传感器（2）、挂物平面几何尺寸监测装置（3）和挂物重力传感器（19）；其中，障碍物距离传感器（2）、挂物平面几何尺寸监测装置（3）、挂物重力传感器（19）、电机速率检测器（14）、电机制动器（15）和三维用户交互界面（16）分别与数据处理单元（13）相连接；障碍物距离传感器（2）安装在起重机吊钩的两侧；障碍物距离传感器（2）为超声波传感器，通过超声波反射，测量起重机吊钩与周围障碍物之间的距离，并将起重机吊钩与障碍物间的距离信息反馈至数据处理单元（13），经数据处理单元（13）处理后显示于三维用户交互界面（16）上；挂物平面几何尺寸监测装置（3），安装于起重机吊钩上部，实时测量与起重机吊钩相连的挂物尺寸，并将挂物尺寸信息发送至数据处理单元（13），经数据处理单元（13）处理后显示于三维用户交互界面（16）上；挂物重力传感器（19）与起重机吊钩相连，负责测量起重机吊钩所吊运挂物的重量，并将挂物重量的测量信号发送至数据处理单元（13）；电机速率检测器（14）有3个，分别安装在塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机上，将塔吊吊钩电机的工作信息、变幅小车电机的工作信息和塔身旋转电机的工作信息分别发至数据处理单元（13）；电机制动器（15）有3个，分别与塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机相连，电机制动器（15）在数据处理单元（13）的指令下，将对应的塔吊吊钩电机、变幅小车电机和/或塔身旋转电机紧急制动；三维用户交互界面（16），一方面负责将用户输入的挂物材料信息传送至数据处理单元（13），另一方面将经数据处理单元（13）处理后的数据显示出来；数据处理单元（13）负责将障碍物距离传感器（2）、挂物平面几何尺寸监测装置（3）、挂物重力传感器（19）、电机速率检测器（14）和三维用户交互界面（16）反馈的信息转换成可视信息，并通过三维用户交互界面（16）显示出来；数据处理单元（13）负责对障碍物距离传感器（2）、挂物平面几何尺寸监测装置（3）、挂物重力传感器（19）、电机速率检测器（14）和三维用户交互界面（16）反馈的信息进行数据处理结果，通过电机制动器（15）对塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机进行控制，防止由于操作人员操作失误导致的安全事故的作用。...

【技术特征摘要】
1.塔式起重机吊钩安全状态监控装置，所述塔式起重机包含起重机吊钩、塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机，起重机吊钩用以挂物，其特征在于，包括数据处理单元（13）、三维用户交互界面（16）、电机速率检测器（14）、电机制动器（15）、障碍物距离传感器（2）、挂物平面几何尺寸监测装置（3）和挂物重力传感器（19）；其中，障碍物距离传感器（2）、挂物平面几何尺寸监测装置（3）、挂物重力传感器（19）、电机速率检测器（14）、电机制动器（15）和三维用户交互界面（16）分别与数据处理单元（13）相连接；障碍物距离传感器（2）安装在起重机吊钩的两侧；障碍物距离传感器（2）为超声波传感器，通过超声波反射，测量起重机吊钩与周围障碍物之间的距离，并将起重机吊钩与障碍物间的距离信息反馈至数据处理单元（13），经数据处理单元（13）处理后显示于三维用户交互界面（16）上；挂物平面几何尺寸监测装置（3），安装于起重机吊钩上部，实时测量与起重机吊钩相连的挂物尺寸，并将挂物尺寸信息发送至数据处理单元（13），经数据处理单元（13）处理后显示于三维用户交互界面（16）上；挂物重力传感器（19）与起重机吊钩相连，负责测量起重机吊钩所吊运挂物的重量，并将挂物重量的测量信号发送至数据处理单元（13）；电机速率检测器（14）有3个，分别安装在塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机上，将塔吊吊钩电机的工作信息、变幅小车电机的工作信息和塔身旋转电机的工作信息分别发至数据处理单元（13）；电机制动器（15）有3个，分别与塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机相连，电机制动器（15）在数据处理单元（13）的指令下，将对应的塔吊吊钩电机、变幅小车电机和/或塔身旋转电机紧急制动；三维用户交互界面（16），一方面负责将用户输入的挂物材料信息传送至数据处理单元（13），另一方面将经数据处理单元（13）处理后的数据显示出来；数据处理单元（13）负责将障碍物距离传感器（2）、挂物平面几何尺寸监测装置（3）、挂物重力传感器（19）、电机速率检测器（14）和三维用户交互界面（16）反馈的信息转换成可视信息，并通过三维用户交互界面（16）显示出来；数据处理单元（13）负责对障碍物距离传感器（2）、挂物平面几何尺寸监测装置（3）、挂物重力传感器（19）、电机速率检测器（14）和三维用户交互界面（16）反馈的信息进行数据处理结果，通过电机制动器（15）对塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机进行控制，防止由于操作人员操作失误导致的安全事故的作用。2.根据权利要求1所述的塔式起重机吊钩安全状态监控装置，其特征在于，挂物平面几何尺寸监测装置（3）由驱动电机（4）、超声波距离传感器（5）、外壳（6）、支架（20）、中央斜齿轮（11）、曲柄摇臂机构（10）组成；外壳（6）为环形，在外壳（6）的顶面活动连接有中央斜齿轮（11）；中央斜齿轮（11）呈环形；在外壳（6）的侧壁上连接有驱动电机（4）；驱动电机（4）的旋转轴上配有驱动电机齿轮；驱动电机齿轮与中央斜齿轮（11）相互啮合；在外壳（6）的侧壁上均布有3个以上的支架（20）；在支架（20）上设有曲柄摇臂机构（10），曲柄摇臂机构（10）与超声波距离传感器（5）相连接；驱动电机（4）产生的驱动力经驱动电机（4）齿轮、中央斜齿轮（11）、曲柄摇臂机构（10）的传递，带动超声波距离传感器（5）旋转。3.根据权利要求2所述的塔式起重机吊钩安全状态监控装置，其特征在于，曲柄摇臂机构（10）带动超声波距离传感器（5）的旋转方向是：超声波距离传感器（5）的感应头所指向的方向由竖直向下至水平向外方向之间往复周期运动。4.根据权利要求2或3所述的塔式起重机吊钩安全状态监控装置，其特征在于，超声波传感器（5）处于起始时，超声波传感器（5）的发射口竖直向下发射信号波，获取该超声波传感器（5）的初始距离数值，该初始距离数值为超声波传感器（5）与吊物之间的初始安装位置H；当驱动电机（4）经中央斜齿轮（11）驱动曲柄摇杆机构（10）运动时，超声波传感器（5）的发射口由垂直向下的方向朝着远离起重机吊钩的水平方向转动，超声波传感器（5）在转动过程中不断读取实时距离数值；当实时距离数值发生突变时，由数据处理单元（13）记录下超声波传感器（5）的旋转角度值；由超声波传感器（5）反馈的发生突变实时距离数值，对应该超声波传感器（5）相对于吊物边缘之间的距离S；由数据处理单元（13）按上式获取超声波传感器（5）相对于吊物边缘之间的距离S，从而得到挂物尺寸。5.根据权利要求2所述的塔式起重机吊钩安全状态监控装置，其特征在于，曲柄摇臂机构（10）包括一号斜齿轮（7）、二号斜齿轮（8）、三号斜齿轮（9）、曲柄摇臂机构（10）、曲柄（17）和摇臂（1...

【专利技术属性】
技术研发人员：訾斌，赵浩然，钱森，李元，王宁，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34