JP2019127372A

JP2019127372A - クレーン作業エリア安全確認装置

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Publication number: JP2019127372A
Application number: JP2018010836A
Authority: JP
Inventors: 吉田　豊; Yutaka Yoshida; 豊吉田; 栄作川尻; Eisaku Kawajiri
Original assignee: Hitachi Plant Mechanics Co Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Mechanics Co Ltd
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2019-08-01
Anticipated expiration: 2038-01-25
Also published as: JP7009691B2

Abstract

【課題】簡易な設備構成で、外乱光対策を実施し、クレーンの作業環境に影響されることなく、作業者を確実に抽出することによって、クレーン作業エリアの安全を確認できる装置を提供すること。【解決手段】クレーン０１の作業エリアを撮像するカメラ２１と、カメラ２１の近傍位置に設けた赤外線投光器２２と、作業者１３のヘルメット１１に取り付けた再帰性反射材からなるマーク１２と、カメラ２１で撮影した画像を取り込んで処理する演算装置とを備え、演算装置が、赤外線投光器２２のＯＮ／ＯＦＦの制御を行い、それに同期してカメラ２１の画像の取り込み、ＯＮ時とＯＦＦ時の差を取り、ヘルメット１１に付けられた再帰性反射材からなるマーク１２の入射した光の光源方向に戻る特性を利用して、外乱光の影響を除去するようにし、作業者１３の座標をクレーンコントローラ３０に送信して、クレーンの作業エリアにおける作業者の安全を確保する。【選択図】図１

Description

本発明は、クレーン作業エリアにおける作業者と取扱物や周辺物体との挟まれや衝突を防止する装置に関するものである。

従来、クレーン作業エリア安全確認装置として、クレーン上方からカメラでクレーン周辺領域を撮像し、作業者のヘルメットを認識する認識部で危険領域を設定してモニターに表示して安全確認を行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−２４１５４８号公報

ところで、特許文献１において開示された技術では、カメラを使用して作業者のヘルメットを認識するようにしているため、クレーンの作業環境によっては、太陽光が外乱光となり認識範囲から目的のヘルメットを切り出すことが、また、背景が明るい場合はその背景の中に対象物も埋もれてしまい、非常に困難になることがあった。さらに、クレーンの周辺領域内には、取り扱う品物や保管物品があり、安全を確保するためには、それらの品物と作業者との間隔が充分取れているか確認する必要があったが、作業者と品物との識別も困難であった。

本発明は、上記従来のクレーン作業エリア安全確認装置の有する問題点に鑑み、簡易な設備構成で、外乱光対策を実施し、クレーンの作業環境に影響されることなく、作業者を確実に抽出することによって、クレーン作業エリアの安全を確認できる装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のクレーン作業エリア安全確認装置は、クレーンの作業エリアを撮像するカメラと、該カメラの近傍位置に設けた赤外線投光器と、作業者のヘルメットに取り付けた再帰性反射材からなるマークと、カメラで撮影した画像を取り込んで処理する演算装置とを備え、該演算装置で得た作業者の座標をクレーンコントローラに送信して、クレーンの作業エリアにおける作業者の安全を確保するようにしたことを特徴とする。

この場合において、前記画像を取り込んで処理する演算装置が、赤外線投光器のＯＮ／ＯＦＦの制御を行い、それに同期してカメラの画像を取り込み、ＯＮ時とＯＦＦ時の差を取り、ヘルメットに付けられた再帰性反射材からなるマークの入射した光の光源方向に戻る特性を利用して、外乱光の影響を除去するようにすることができる。

また、前記クレーンの作業エリアを認識するための測域センサを設け、作業エリアにおける物体の座標、大きさを前記測域センサで計測してクレーンコントローラに送信し、該クレーンコントローラは物体の座標と作業者の座標を比較し、両者の距離が規定の距離以上離れているが否かを確認してクレーンの運転可否を判断するようにすることができる。
ここで、「測域センサ」（Laser Range Scanner 又は 3D Scanner）とは、空間の物理的な形状データを出力することができる走査型の光波距離計をいう。

また、前記作業者がクレーンの移動方向にいる場合に、クレーンコントローラは、前記距離が規定の距離以上離れている場合であってもクレーンの運転指示を受け付けないようにすることができる。

本発明のクレーン作業エリア安全確認装置によれば、簡易な設備構成で、外乱光対策を実施し、クレーンの作業環境に影響されることなく、作業者を確実に抽出することによって、クレーン作業エリアの安全を確認することができる。

本発明に係るクレーン作業エリア安全確認装置を適用した天井クレーンの一実施例を示す側面図（カメラ及び測域センサの取付図）である。同クレーン作業エリア安全確認装置の制御装置の構成図である。作業者のヘルメットに付けた再帰性反射材からなるマークの一例を示し、（ａ−１）は平面図、（ａ−２）は側面図、（ｂ−１）は他の例の平面図、（ｂ−２）は同側面図である。赤外線投光器のＯＮ／ＯＦＦとカメラの撮影タイミングを表したタイムチャートである。カメラで撮影した画像を示し、（ａ）は赤外線投光器がＯＦＦ時に撮影した画像例、（ｂ）は赤外線投光器がＯＮ時に撮影した画像例、（ｃ）は（ａ）の画像から（ｂ）の画像の差を取った画像例を示す。無線機子機の押釦スイッチ配置の一例を示す説明図である。測域センサとステッピングモータの説明図で、（ａ）は取り付けた状態を示す平面図、（ｂ）は測域センサをステッピングモータで首振りを行った側面図である。測域センサから対象までの各角度における距離を測定する原理のイメージ図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。ヘルメットの座標と取扱物の切片の頂点を表した説明図である。測域センサの計測原理の説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。キャリブレーションの原理の説明図である。キャリブレーションの原理の説明図で、（ａ）は形状検出パソコンのキャリブレーション時の映像、（ｂ）は人検出パソコンのキャリブレーション時の映像、（ｃ）はキャリブレーション補正後の映像である。

以下、本発明のクレーン作業エリア安全確認装置の実施の形態を、図面に基づいて説明する。

図１〜図２に、本発明に係るクレーン作業エリア安全確認装置を適用した天井クレーンの一実施例を示す。

図１は、本発明に係るクレーン作業エリア安全確認装置を天井クレーンに適用した概略構成図で、天井クレーン０１下の作業者１３は、取扱物０９を他の場所に移動させるためフック０５に玉掛け作業を行っている。この状態の安全確認を実施するためにクレーン０１のクラブ０２に設置したカメラ２１で監視している。また、取扱物０９の形状を計測するためにクラブ０２には測域センサ２３が取り付けられている。

図２は、このクレーン作業エリア安全確認装置の制御構成であるが、カメラ２１と赤外線投光器２２が、演算装置としての人検知パソコン２６に接続されている。クレーンコントローラ３０から人検知パソコン２６にクレーン作業エリアの作業者１３を検出するように指示が来ると、人検知パソコン２６は赤外線投光器２２のＯＮ／ＯＦＦを行い、それに同期してカメラ２１の撮影を行う。

ここで、クレーン作業エリア安全確認装置は、汎用の天井クレーンに適用することができ、天井クレーン０１には、汎用の天井クレーンが備える、例えば、天井クレーン０１の走行位置を把握するための走行レーザ距離計２７、横行位置を把握するための横行レーザ距離計２８、巻上インバータ３１、巻上モータ３２、横行インバータ３３、横行モータ３４、走行インバータ３５、走行モータ３６等の機器を備えるようにしている。

図５（ａ）は、赤外線投光器２２がＯＦＦ時の画像例で、図５（ｂ）は、赤外線投光器２２がＯＮ時の画像例である。人検知パソコン２６はヘルメット１１に付けられた再回帰性反射材からなるマーク１２の映像をＯＮ／ＯＦＦ時に分けてカメラ２１から画像を取り込んで、ＯＮ時の画像からＯＦＦ時の画像の差を取ることにより図５（ｃ）に示すようなマークを抽出した画像例を得ることができる。
ここで、再回帰性反射材には、従来公知のガラスビーズ等を用いたあらゆる方向から入射した光に対して常に入射した方向に光を反射させる、具体的には、入射した光が光源に向けて反射する特性を備えた素材を用いることができる。

以下、本発明に係るクレーン作業エリア安全確認装置を、この天井クレーン０１の動作に基づいて説明する。
天井クレーン０１は、クラブ０２が図面の矢印方向に動作し、横行と直角方向に走行車輪０６を備えた天井クレーン０１が走行レール０７上を走行して目的位置に移動する。

目的位置に移動が完了すると巻上装置０３を動作させてワイヤロープ０４を繰り出してフック０５を巻き下げる。作業者１３は取扱物０９の玉掛け作業を行い、フック０５に玉掛けワイヤ１４を取り付ける。

人検知パソコン２６は、クレーン０１が目的位置への移動が完了したことを、横行及び走行の操作信号が所定時間ないことから判断し、その時点、好ましくは、フック０５の巻下操作が行われる前に、フック０５の周囲の作業者１３の検知を行う。赤外線投光器２２のＯＮ／ＯＦＦを行い、それに同期してカメラ２１の撮影を行って画像を記録する。
図４はその動作のタイムチャートを表している。
ここで、赤外線投光器２２は、可視光でない光を使用することによって、光のＯＮ／ＯＦＦで作業者１３にストレスを与えないようにしている。

人検知パソコン２６が取り込んだヘルメット１１の再帰性反射材からなるマーク１２の画像は、赤外線投光器２２がＯＦＦ時の画像は図５（ａ）に示すようになり、ＯＮ時の画像は図５（ｂ）に示すようになる。これは再帰性反射材からなるマーク１２に、入射した光が光源に向けて反射する特性を備えた素材を使用し、カメラ２１の近くに設置された赤外線投光器２２側に戻ることを利用したものである。

人検知パソコン２６は、取り込んだ画像の図５（ａ）と図５（ｂ）の差を取り、図５（ｃ）に示すような画像を得る。
得られた画像の認識方法は予め十字のパターンを登録しておいてパターンマッチングで行う方式や機械学習で求める方式などが使用できる。
ここで、ヘルメットに付けた再帰性反射材からなるマーク１２の形状は、図３に示すような形状（十字や楕円のパターン）がヘルメットに取り付けやすく、形状認識もやりやすい。

人検知パソコン２６は再帰性反射材からなるマーク１２を検出した場合は、その位置の座標をクレーンコントローラ３０に送る。

演算装置としての形状認識パソコン２９は、クレーンが目的位置へ移動完了後、すなわち、クレーン０１が目的位置への移動が完了したことを、横行及び走行の操作信号が所定時間ないことから判断し、その時点、好ましくは、フック０５の巻下操作が行われる前に、フック０５の周囲の物体の検知を行う。取扱物０９の形状を測域センサ２３を使用して求める。
ここで、測域センサ２３は、Laser Range Scanner 又は 3D Scannerとも呼ばれ、空間の物理的な形状データを出力することができる走査型の光波距離計をいい、「光検出と測距」又は「レーザ画像検出と測距」とも呼ばれる「ＬＩＤＡＲ」（Light Detection and Ranging 又は Laser Imaging Detection and Rangingの略語。光を用いたリモートセンシング技術の一つで、パルス状に発光するレーザ照射に対する散乱光を測定し、遠距離にある対象までの距離やその対象の形状や性質を分析する装置。）、例えば、北陽電機社製の「ＵＴＭ−３０ＬＸ−ＥＷ」を好適に使用することができる。
この測域センサ２３は、半円状に光を出して反射光が戻ってくるまでの時間を測定し、測域センサから対象までの各角度における距離を測定する。
そして、測域センサ２３は、図７に示すように、モータコントローラ２５によって制御されるステッピングモータ２４を用いてスキャニングの角度が変えられるようになっている。
図８（ａ）はそのイメージ図で半円方向に光をスキャンし、取扱物０９からの距離を測定する。しかし、これだけでは取扱物０９の一部分を捉えただけであるので半円方向と直角方向に測域センサ２３を回転させて距離を測定する。図８（ｂ）はその動作を行った場合の取扱物０９の上方から見た図である。このようにして取扱物０９のように床面より高い物体について計測を行いその座標を求める。
測域センサ２３の視野内にあるすべての高さを持つ物体について計測を行い、その座標を算出する。

形状認識パソコン２９は算出した物体の座標、物体の切片の頂点の位置をクレーンコントローラ３０に送り、クレーン作業エリアの三次元マップを作成する。

ここで、測域センサ２３による計測原理を説明すると、図１０に示すように、測域センサ２３から直下に投光された光８０は距離Ｈを測定結果として出力する。同様に測域センサ２３の直下からＸ軸方向にＸｍｍ、Ｙ軸方向にＹｍｍずれておかれた取扱物０９のＰ点の高さをＺｍｍとする。
測域センサ２３が半円状のスキャンを行うのと同時に測域センサ２３をステッピングモータ２４を用いて半円方向と直角方向に回転させて取扱物０９との距離Ｌを測定する。この時、測域センサ２３から投光された光８１を半円方向でスキャンしたときの取扱物０９との角度をθとし、半円方向と直角方向に回転させたときの角度をφとすると、各位置の長さは下記の式で表すことができる。
Ｘ＝Ｌ×ｔａｎθ／（１＋（ｔａｎθ）^２＋（ｔａｎφ）^２）^１／２
Ｙ＝Ｌ×ｔａｎφ／（１＋（ｔａｎθ）^２＋（ｔａｎφ）^２）^１／２
Ｚ＝Ｈ−（Ｌ^２−（Ｘ^２＋Ｙ^２））
上記の角度θ及びφを連続的に変化させることにより測域センサ２３の下方にある物体、例えば、取扱物０９を三次元として捉えることができ、これにより、クレーンの作業エリアに存在する物体の位置と大きさを知ることができる。

図９に、ヘルメットの座標と取扱物０９の切片の頂点とを表した図を示す。
クレーンコントローラ３０は、人検知パソコン２６及び形状認識パソコン２９から送られてきたヘルメット１１の座標及び取扱物０９の切片の頂点の位置から、ヘルメットの座標（Ｘｈ，Ｙｈ）と取扱物０９の切片の頂点座標（Ｘ１，Ｙ１）〜（Ｘ４，Ｙ４）の差を求め、作業者１３の取扱物０９との間隔が規定値以上、例えば、１．５ｍ以上離れていることを確認して巻上動作許可を出す判断をする。

作業者１３は、取扱物０９から規定値以上離れた状態で、無線機親機３７に操作信号を送信する、図６に示すような無線機子機３８を使用して『上』押釦を押して取扱物０９を巻き上げる。この場合、規定値以上離れていないとクレーンコントローラ３０が判断した場合は巻上指示の押釦の指示を受け付けない。

作業者１３は、巻上後、目的の移動方向の押釦『東』『西』『南』『北』のいずれかを押して移動を指示する。クレーンコントローラ３０は移動を指示された方向、すなわち、移動方向の延長線上に作業者１３が存在する場合は移動指示を受け付けない。

このクレーン作業エリア安全確認装置によれば、簡易な設備構成で、外乱光対策を実施し、天井クレーン０１の作業環境に影響されることなく、作業者１３を確実に抽出することによって、クレーン作業エリアの安全を確認することができる。

ところで、カメラ２１と測域センサ２３とは、同じエリアを見るように設置されているが、例えば、取扱物０９までの距離が１０ｍ程度になると角度のずれによって見ている範囲が大幅に変わることになる。このため、必要に応じて、カメラ２１と測域センサ２３装置を設置した段階で互いの視野を合わせる動作のキャリブレーションを行うようにすることで、クレーン作業エリア安全確認装置の精度を高めることができる。

図１１はキャリブレーションを行う場合の配置図であるが、カメラ２１及び測域センサ２３の概略視野中心に標準認識対象物０８を設置して行う。標準認識対象物０８には平面形状が正四角形の直方体を用いる。

図１２（ａ）は、測域センサ２３で標準認識対象物０８を捉えた映像を示す。図１２（ｂ）は、カメラ２１で標準認識対象物０８を捉えた映像を示す。

図１２（ａ）に示す測域センサ２３で標準認識対象物０８を認識した映像０８ａは、中心座標が（ｘ１，ｙ１）ずれており、角度がθ１，θ２ずれている。このため、形状認識パソコン２９は、図１２（ｃ）に示すように、映像０８ａが画面中央に来るように座標及び角度のオフセット値を与える。また、標準認識対象物０８の大きさが既知であるので大きさを測定した結果が対象物の大きさと合致するように距離計数値の補正乗率を決定する。

図１２（ｂ）に示すカメラ２１で標準認識対象物０８を認識した映像０８ｂは、一般的にカメラで撮影した場合と同様に、像が歪んでいる。このため、人検知パソコン２６は、取り込んだカメラ２１の映像０８ｂを、例えば、アフィン変換を用いて正方形に変換し、形状認識パソコン２９と同様に、座標及び角度のオフセット値を与え、距離計数値の補正乗率を決定する。
ここで、「アフィン変換」とは、平行移動と線形変換（拡大や縮小、回転など）を組み合わせた変換方式をいう。

このキャリブレーション作業により形状認識パソコン２９及び人検知パソコン２６が見ている座標及びスケールが一致して両者の認識結果を共有することができる。

以上、本発明のクレーン作業エリア安全確認装置について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明のクレーン作業エリア安全確認装置は、簡易な設備構成で、外乱光対策を実施し、クレーンの作業環境に影響されることなく、作業者を確実に抽出することによって、クレーン作業エリアの安全を確認できることから、天井クレーンの用途に好適に用いることができるほか、例えば、クレーンを用いる建設機械等の用途にも用いることができる。

０１クレーン（天井クレーン）
０２クラブ
０３巻上装置
０４ワイヤロープ
０５フック
０６走行車輪
０７走行レール
０８標準認識対象物
０９取扱物
１１ヘルメット
１２再帰性反射材からなるマーク
１３作業者
１４玉掛けワイヤ
２１カメラ
２２赤外線投光器
２３測域センサ
２４ステッピングモータ
２５モータコントローラ
２６演算装置（人検知パソコン）
２７走行レーザ距離計
２８横行レーザ距離計
２９演算装置（形状認識パソコン）
３０クレーンコントローラ
３１巻上インバータ
３２巻上モータ
３３横行インバータ
３４横行モータ
３５走行インバータ
３６走行モータ
３７無線機親機
３８無線機子機
８０測域センサから投光された光
８１測域センサから投光された光

Claims

クレーンの作業エリアを撮像するカメラと、該カメラの近傍位置に設けた赤外線投光器と、作業者のヘルメットに取り付けた再帰性反射材からなるマークと、カメラで撮影した画像を取り込んで処理する演算装置とを備え、該演算装置で得た作業者の座標をクレーンコントローラに送信して、クレーンの作業エリアにおける作業者の安全を確保するようにしたことを特徴とするクレーン作業エリア安全確認装置。
前記画像を取り込んで処理する演算装置が、赤外線投光器のＯＮ／ＯＦＦの制御を行い、それに同期してカメラの画像を取り込み、ＯＮ時とＯＦＦ時の差を取り、ヘルメットに付けられた再帰性反射材からなるマークの入射した光の光源方向に戻る特性を利用して、外乱光の影響を除去するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のクレーン作業エリア安全確認装置。
前記クレーンの作業エリアを認識するための測域センサを設け、作業エリアにおける物体の座標、大きさを前記測域センサで計測してクレーンコントローラに送信し、該クレーンコントローラは物体の座標と作業者の座標を比較し、両者の距離が規定の距離以上離れているが否かを確認してクレーンの運転可否を判断するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のクレーン作業エリア安全確認装置。
前記作業者がクレーンの移動方向にいる場合に、クレーンコントローラは、前記距離が規定の距離以上離れている場合であってもクレーンの運転指示を受け付けないようにしたことを特徴とする請求項３に記載のクレーン作業エリア安全確認装置。