CN106927357A - 塔式起重机吊钩安全状态监控装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

塔式起重机吊钩安全状态监控装置及控制方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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的发明专利公开的《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的发明专利公开的《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。

发明内容

本发明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，本发明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，本发明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斜齿轮组转动，斜齿轮与曲柄摇臂机构相连，带动曲柄做整周转动，摇臂摆角为90°，超声波传感器安装于摇臂末端，实现发射头由垂直向下往水平方向90°转动。

本发明中检测装置主要有：障碍物距离传感器、电机速率检测器、吊物重力传感器。障碍物距离传感器为超声波传感器，通过超声波反射，测量障碍物距离，显示于交互界面。电机速率检测器用于测量电机转速，便于根据电机运动速度与障碍物距离，估算出碰撞时间。吊物重力传感器用于测量吊物重量，根据测得重物平面尺寸估算出吊物垂直高度。

本发明塔式起重机吊钩安全状态监控方法步骤如下：

1、挂物吊至于吊钩，挂物平面几何尺寸监测装置电机运动，带动斜齿轮组运动，摇臂在一次运动行程中，来回转动90°，完成超声波传感器发射头由垂直向下往水平方向运动，实现对吊物表面尺寸的测量，通过圆周八分超声波传感器，实现吊物平面尺寸的建模。

2、吊物重力传感器测量挂物重量，根据用户界面输入挂物材料，估算出挂物垂直距离，通过数据处理单元分析，并系统建模，将三维模型显示于三维用户交互界面，便于操作人员观察。

3、安装于吊钩两侧的超声波传感器，测量吊钩周围障碍物距离，通过数据处理单元分析，完成障碍物距离建模，并显示于三维用户交互界面。便于操作人员观察挂物与障碍物间距离。

4、通过电机速率检测器，实时监测电机转动速率，通过数据处理单元分析，根据电机运动速率，及与障碍物间距离，计算出挂物碰撞时间，当小于规定时间，系统自动报警，提醒操作人员，当小于制动反馈安全时间，系统自动反馈电机制动装置，进行电机制动安全避让障碍物。

本发明旨在提供一种能够监测吊物周围情况，对吊物尺寸进行分析处理，及时预报吊物与周围障碍距离，并及时避让的吊钩安全监测及避让系统。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过挂物平面几何尺寸监测装置，对所挂工件进行实时测量，将测量数据显示于三维交互界面上，相比现有的视频监控方式，可以将所挂工件的检测数字化，让操作员更加直观的观测到所挂工件的空间位置状态。

2、本发明通过障碍物距离传感器，实现对吊钩四周障碍物的三维建模，将模型显示于三维交互界面上，相比于视频监控方式，将画面式的位置关系变为数字化的位置关系，方便于操作员观察工件与障碍物间距离情况。

3、本发明实现数字化的处理挂物几何形状、挂物与障碍物间的位置关系，相比以往摄像头观察而言，更有利于实现人机交互，便于操作员、控制系统对工件位置状态的控制。

4、本发明中挂物平面几何尺寸监测装置，能实时测量工件状态，有利于根据工件实际尺寸规划出不同的安全距离，根据所挂工件四边不同长度，对应于不同的安全报警距离。

5、本发明配置有电机速率检测器，能实时检测电机转动速率，通过数据处理单元分析与障碍物碰撞距离，进行自动报警，当操作员未能及时处理报警信息，数据处理器发送信号至电机制动器，制动电机实现壁障功能。使得塔吊操作更加安全便捷，降低了塔吊安全事故发生几率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中。

图1是本发明的结构框图。

图2是图1中挂物平面几何尺寸监测装置3的立体示意图。

图3是图2中曲柄摇臂机构10的立体示意图。

图4是图3的主视图。

图5是图3的侧视图。

图6是图1中挂物平面几何尺寸监测装置3的工作原理图。

图7是图1中障碍物距离传感器2安装位置的立体示意图。

图8是本发明控制方法的流程框图。

图9为图1中三维用户交互界面16所显示内容的简示图。

图中：1：塔式起重机吊钩包括吊钩。2：障碍物距离传感器。3：挂物平面几何尺寸监测装置。4：电机。5：超声波传感器。6：外壳。7：一号斜齿轮。8：二号斜齿轮。9：三号斜齿轮。10：曲柄摇臂机构。11：中央斜齿轮。12：吊物。13：数据处理单元。14：电机速率检测器。15：电机制动器。16：三维用户交互界面。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参见图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。

参见图7，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。

参见图2，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。

如图9所示，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。

参见图2，进一步说，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、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。即由驱动电机4驱动中央斜齿轮11相对于外壳6旋转。

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。

参见图6，进一步说，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。

参见图6，进一步说，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与起重机吊钩所悬吊的吊物12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相对于起重机吊钩所悬吊的吊物12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相对于起重机吊钩所悬吊的吊物12边缘之间的距离S，从而得到该超声波传感器5对应方向的挂物尺寸。

换言之，当超声波反射点位于吊物12的顶面上时，超声波距离数值的变化是线性、平滑的。而当超声波反射点位于吊物12边缘位置时，超声波距离数值将发生突变，这时由系统自动记录此时超声波转角数值，再结合已知的初始安装位置H，即可计算得距离S。

参见图2、3、4和5，进一步说，每个曲柄摇臂机构10均包括一号斜齿轮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18。其中，

在靠近中央斜齿轮11一侧的支架20上配有支座21。在支座21上设有支撑槽，在支座21的支撑槽中配有支撑转轴22。靠近中央斜齿轮11一侧的支撑转轴22端部与三号斜齿轮9固定连接。远离中央斜齿轮11一侧的支撑转轴22端部与二号斜齿轮8固定连接，即二号斜齿轮8与三号斜齿轮9之间通过支撑转轴22连接，通过键槽和平键将二号斜齿轮8与支撑转轴22、三号斜齿轮9与支撑转轴22固定连接，保证转矩由二号斜齿轮8向三号斜齿轮9传递。

在支架20上设有安装槽，在安装槽内设有传感器侧转轴23，通过键槽与平键将传感器侧转轴的一端与一号斜齿轮7固定连接。一号斜齿轮7与二号斜齿轮8相互啮合。传感器侧转轴23的另一端与曲柄17连接，通过传感器侧转轴23将一号齿轮7的运动形式传递给曲柄17。

通过连杆将曲柄17与摇臂18相连，通过转动副将摇臂18安置于支座21上，在摇臂18的末端安置有超声波传感器5。

曲柄摇臂机构10的转动机理为：驱动电机4转动，带动中央斜齿轮11转动，通过齿轮啮合带动三号斜齿轮9转动，三号斜齿轮9通过平键将运动形式传递至转轴，并传递至二号斜齿轮8，二号斜齿轮8与一号斜齿轮7啮合，将运动形式传递给一号斜齿轮7，一号斜齿轮7通过平键将运动形式传递至转轴，并传递至曲柄17，曲柄17通过转动副与连杆连接，连杆通过转动副与摇臂18并与支座21构成曲柄摇杆机构，将曲柄360度旋转运动，转变成摇杆90度且具有急回特性的往返运动。文中的转动副，是与连杆固接在一起的轴。

参见图2，进一步说，在外壳6的侧壁上均布有8、12、16、20或24个支架20。在支架20上均设有曲柄摇臂机构10，每个曲柄摇臂机构10均配有一个超声波距离传感器5，即获取8、12、16、20或24组超声波传感器5相对于吊物12边缘之间的挂物尺寸，进而得到挂物的整体尺寸，即工件基础平面几何尺寸。

驱动电机4由螺栓固定在外壳6上，电机输出轴与电机斜齿轮配合，通过电机斜齿轮将运动形式传递至中央斜齿轮11，中央斜齿轮11转动带动均分在圆周上的8组三号斜齿轮9同速转动。通过三号斜齿轮9与二号斜齿轮8、一号斜齿轮7的运动传递，带动曲柄摇杆机构10中曲柄17做圆周匀速运动，摇杆底部安装超声波传感器5，其中摆杆摆角设计为90度，实现超声波传感器5由向下位置转至水平位置的转动。

参见图9，进一步说，数据处理单元13根据障碍物距离传感器2反馈的信息，在三维用户交互界面16显示起重机吊钩周围障碍物的数量及相对距离。

数据处理单元13根据挂物平面几何尺寸监测装置3反馈的信息，在三维用户交互界面16显示挂物的整体尺寸。

数据处理单元13根据挂物重力传感器19反馈的信息，在三维用户交互界面16显示挂物的运行方向及速度。

数据处理单元13根据电机速率检测器14反馈的信息，在三维用户交互界面16显示塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机的工作状态。

数据处理单元13结合障碍物距离传感器2、数据处理单元13、挂物重力传感器19和/或电机速率检测器14信息，并根据经三维用户交互界面16人工输入的控制参数，报警或直接通过电机制动器15对塔吊吊钩电机、变幅小车电机和/或塔身旋转电机进行紧急制动的操作。

参见图7，进一步说，吊钩周围障碍检测装置2由两组超声波距离传感器组成，每组超声波距离传感器有3个超声波探头。

在塔式起重机吊钩的两侧分别按一组超声波距离传感器。同一组超声波距离传感器内的3个超声波探头分别对准该侧面吊钩的三个方向。

参见图8，采用本发明所述的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，本发明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，在步骤2中，挂物平面几何尺寸监测装置3内的驱动电机4运动，带动中央斜齿轮11、三号斜齿轮9、二号斜齿轮8和一号斜齿轮7运动，摇臂10在一次运动行程中，来回转动90°，完成超声波传感器5发射头由垂直向下往水平方向运动，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，实现挂物12平面尺寸的建模。

实施例

本例是在尖头平臂上回转塔式起重机上的运用，具体如下：

参见图7，本实施例中，塔式起重机吊钩包括：吊钩1，障碍物距离传感器2，挂物平面几何尺寸监测装置3，吊物重量传感器置于吊钩内部。

挂物平面几何尺寸监测装置3的内部结构如图2、3所示，驱动电机4由螺栓固定在外壳6上，通过斜齿轮将运动形式传递至中央斜齿轮11，中央斜齿轮11转动带动均分在圆周上的八组斜齿轮9同速转动，通过齿轮的运动传递，带动曲柄摇杆机构10中曲柄做圆周匀速运动，摇杆底部安装超声波传感器5，其中摆杆摆角设计为90度，实现超声波传感器5由向下位置转至水平位置的运动。

挂物平面几何尺寸监测装置3的测量原理为，如图6所示，超声波传感器5，起始时，发射口向下发射信号波，读取垂直向下距离，由曲柄摇杆机构10运动，发射口由垂直向下向水平位置转动，转动过程中不断读取距离数值，当超声波反射点位于吊物12边缘位置时，超声波距离数值发生突变，系统自动记录此时超声波转角数值，挂物平面几何尺寸监测装置3初始安装位置H已知，则由公式计算可得距离S：

布置于挂物平面几何尺寸监测装置3外壳6上，圆周周边的八个超声波传感器5同时工作，从八个方位同时测得工件尺寸距离S，发送至数据处理单元13，由处理单元分析处理。

由至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，根据工件水平面积估算出工件高度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，可能由于风力、运动惯性等原因改变工件的位姿状态，挂物平面几何尺寸监测装置3，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。

塔式起重机吊钩安全状态监控方法如下所述：

1、将挂物12吊至于吊钩1，挂物平面几何尺寸监测装置3电机运动，带动斜齿轮组（7、8、9、11）运动，摇臂10在一次运动行程中，来回转动90°，完成超声波传感器5发射头由垂直向下往水平方向运动，实现对挂物12表面尺寸的测量，通过圆周八分超声波传感器，实现挂物12平面尺寸的建模。

2、吊物重力传感器测量挂物重量，根据三维用户交互界面16输入挂物材料，估算出挂物12垂直距离，通过数据处理单元13分析，并系统建模，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。

3、吊钩周围障碍检测装置2布置于挂钩两侧，每一处共3处超声波探头，探测挂钩水平面内障碍距离，并将数据信息传送至数据处理单元13，数据处理单元自动将平面障碍物进行垂直平面建模，并显示于三维人机交互界面16。

4、电机速率检测器14，实时读取电机转速，并将数据内容发送至数据处理单元13，数据处理单元13将工件尺寸与障碍物距离，电机转速进行分析比较，当电机速度在运动方向上规定时间内将撞于障碍物，则数据处理单元13发送报警信号至人机交互界面，若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。

根据上述实例可知，操作人员可在驾驶室内，根据三维人机界面16直观的观察到工件的几何形状，观测到工件与周围障碍的距离，并及时采取避让操作，防止工件与障碍物碰撞。

三维人机交互界面如图5所示，操作人员可人工选择工件材料，可人工选择自动壁障开关，安全警报开关等，电机运转速度，及位置状态会直观的显示于三维界面窗口内，并会通过数值形式显示于屏幕内。

通过以上的描述中，可以看出，本发明比以往摄像头监控方式，更加直观、便捷，通过自动报警自动制动功能，可放置由于操作人员失误操作造成的危险。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

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（18）；其中，

在靠近中央斜齿轮（11）一侧的支架（20）上配有支座（21）；在支座（21）上设有支撑槽，在支座（21）的支撑槽中配有支撑转轴（22）；靠近中央斜齿轮（11）一侧的支撑转轴（22）端部与三号斜齿轮（9）固定连接；远离中央斜齿轮（11）一侧的支撑转轴（22）端部与二号斜齿轮（8）固定连接；

在支架（20）上设有安装槽，在安装槽内设有传感器侧转轴（23），传感器侧转轴（23）的一端与一号斜齿轮（7）固定连接；一号斜齿轮（7）与二号斜齿轮（8）相互啮合；传感器侧转轴（23）的另一端与曲柄（17）连接，通过传感器侧转轴（23）将一号齿轮（7）的运动形式传递给曲柄（17）；

通过连杆将曲柄（17）与摇臂（18）相连，通过转动副将摇臂（18）安置于支座（21）上，在摇臂（18）的末端安置有超声波传感器（5）。

6.根据权利要求5所述的塔式起重机吊钩安全状态监控装置，其特征在于，

在外壳（6）的侧壁上均布有8、12、16、20或24个支架（20）；在支架（20）上均设有曲柄摇臂机构（10），每个曲柄摇臂机构（10）均配有一个超声波距离传感器（5），即获取8、12、16、20或24组超声波传感器（5）相对于吊物边缘之间的挂物尺寸，由挂物尺寸转换得到挂物的整体尺寸。

7.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，

数据处理单元（13）根据障碍物距离传感器（2）反馈的信息，在三维用户交互界面（16）显示起重机吊钩周围障碍物的数量及相对距离；

数据处理单元（13）根据挂物平面几何尺寸监测装置（3）反馈的信息，在三维用户交互界面（16）显示挂物的整体尺寸；

数据处理单元（13）根据挂物重力传感器（19）反馈的信息，在三维用户交互界面（16）显示挂物的运行方向及速度；

数据处理单元（13）根据电机速率检测器（14）反馈的信息，在三维用户交互界面（16）显示塔吊吊钩电机、变幅小车电机和塔身旋转电机的工作状态；

数据处理单元（13）结合障碍物距离传感器（2）、数据处理单元（13）、挂物重力传感器（19）和/或电机速率检测器（14）信息，并根据经三维用户交互界面（16）人工输入的控制参数，报警或直接通过电机制动器（15）对塔吊吊钩电机、变幅小车电机和/或塔身旋转电机进行紧急制动的操作。

8.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，

吊钩周围障碍检测装置（2）由两组超声波距离传感器组成，每组超声波距离传感器有3个超声波探头；

在塔式起重机吊钩的两侧分别按一组超声波距离传感器；同一组超声波距离传感器内的3个超声波探头分别对准该侧面吊钩的三个方向。

9.采用权利要求1至8任一所述的塔式起重机吊钩安全状态监控装置的控制方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤1：将挂物吊至于起重机吊钩中；

步骤2：挂物平面几何尺寸监测装置（3）运行，实现对挂物表面尺寸的测量，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，计算出挂物的高度；

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，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。

10.根据权利要求9所述的采用塔式起重机吊钩安全状态监控装置的控制方法，其特征在于，在步骤2中，挂物平面几何尺寸监测装置（3）内的驱动电机（4）运动，带动中央斜齿轮（11）、三号斜齿轮（9）、二号斜齿轮（8）和一号斜齿轮（7）运动，摇臂（10）在一次运动行程中，来回转动90°，完成超声波传感器（5）发射头由垂直向下往水平方向运动，实现对挂物表面尺寸的测量，并将测量信号发送至数据处理单元（13），实现挂物12平面尺寸的建模。