JP7081067B2

JP7081067B2 - クレーンにおける安全装置

Info

Publication number: JP7081067B2
Application number: JP2019178892A
Authority: JP
Inventors: 栄作川尻; 豊吉田
Original assignee: Hitachi Plant Mechanics Co Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Mechanics Co Ltd
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: JP2021054584A

Description

本発明は、クレーンの運転時に、クレーンが荷役する取扱物の傾斜を検出するクレーンにおける安全装置に関するものである。

従来、クレーンが荷役する取扱物の姿勢制御を行うために、水平度検出器及び荷重検出器等の複数種類のセンサを用いた装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、特許文献１において開示された装置では、複数種類のセンサを用いて取扱物の姿勢を間接的に検出するようにしているため、検出誤差やタイムラグが生じやすいという問題があった。

ところで、本件出願人は、先に、測域センサ、すなわち、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、遠距離にある対象物までの距離やその対象物の形状や性質を分析する装置。）を使用して、簡易な設備構成で、クレーンが荷役する取扱物の立体的な形状を吊上時に把握し、その情報に応じて減速距離を変えて、作業者などの対象物との衝突を防止する装置（特許文献２参照。）を提案した。

特開平２－１４７５０８号公報特開２０１９－１２７３７５号公報

特許文献２において開示した装置は、クレーンが荷役する取扱物の立体的な形状を吊上時に直接検出することができるものである反面、同装置で使用されているＬＩＤＡＲ（例えば、北陽電機社製の「ＵＴＭ－３０ＬＸ－ＥＷ」）は、２次元ＬＩＤＡＲ（以下、「２Ｄ－ＬＩＤＡＲ」という。）と呼ばれるもので、半円状に光を照射して反射光が戻ってくるまでの時間を測定し、２Ｄ－ＬＩＤＡＲから対象物までの各角度における距離を測定するとともに、モータコントローラによって制御されるステッピングモータを用いて２Ｄ－ＬＩＤＡＲを回転させ、スキャニングの角度を変えることによって、対象物に対して３次元の計測を行い、立体的な形状の検出を行うようにしているため、取扱物の３次元の計測を行うのに数秒以上の時間を要し、実質的にリアルタイムで行うことができないことから、クレーンが荷役する取扱物の傾斜を検出する用途に適したものではなかった。

本発明は、上記クレーンが荷役する取扱物の傾斜を検出する装置の有する課題に鑑み、簡易な設備構成で、取扱物の３次元の計測をリアルタイムで行うことを可能とすることによって、クレーンが荷役する取扱物の傾斜を直接検出することができるクレーンにおける安全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、本発明のクレーンにおける安全装置は、クレーンの運転時に、クレーンが荷役する取扱物の傾斜を検出するクレーンにおける安全装置において、クレーンに搭載した３次元測域センサを用いてクレーンが荷役する取扱物の荷姿情報をリアルタイムで取得し、着床時の取扱物の複数箇所の高さと、吊上時の取扱物の当該複数箇所の高さとの差を算出し、算出した差から取扱物の傾斜を検出するようにしたことを特徴とする。
ここで、「３次元測域センサ」（Laser Range Scanner 又は 3D Scanner）とは、空間の物理的な３次元の形状データを同時に出力することができる走査型の光波距離計をいう。

この場合において、前記取扱物の複数箇所として、取扱物の上面の対角位置を選定するようにすることができる。

また、前記取扱物の上面の対角位置の変位から取扱物の回転角度を検出するようにすることができる。

本発明のクレーンにおける安全装置によれば、簡易な設備構成で、取扱物の３次元の計測をリアルタイムで行うことを可能とすることによって、クレーンが荷役する取扱物の傾斜や回転角度を直接検出することができ、取扱物の落下等の事故を防止することができる。

本発明に係るクレーンにおける安全装置を適用した天井クレーンの一実施例を示す側面図である。同クレーンにおける安全装置の制御装置の構成図である。測域センサから取扱物までの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。３次元測域センサによるクレーンの取扱物の荷姿情報（着床時）の取得方法を示す説明図である。３次元測域センサによるクレーンの取扱物の荷姿情報（吊上時）の取得方法を示す説明図である。３次元測域センサによるクレーンの取扱物の回転情報の取得方法を示す、（ａ）は着床時、（ａ）は吊上時の説明図である。

以下、本発明のクレーンにおける安全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における安全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における安全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（ここで、カメラの死角をなくすために、クラブ０２の横行方向の前後に２台以上のカメラを設けることもできる。）で監視している。また、取扱物０９の形状を計測するために、天井クレーン０１上のクラブ０２に測域センサ２３を設置するようにしている。

図２に、このクレーンにおける安全装置の制御構成を示す。
カメラ２１と赤外線投光器２２が、演算装置としての人・形状認識パソコン２６に接続されている。クレーンコントローラ３０から人・形状認識パソコン２６にクレーン作業エリアの再帰性反射材からなるマークを付けたヘルメット１１を装着した作業者１３を検出するように指示が来ると、人・形状認識パソコン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。

このクレーンにおける安全装置は、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２４、横行位置を把握するための横行レーザ距離計２５を備えるようにしている。
天井クレーン０１は３方向の動作が可能となっており、巻上下動作を行う巻上モータ３２、巻上モータの速度制御を行う巻上インバータ３１、横行動作を行う横行モータ３４、横行モータの速度制御を行う横行インバータ３３、走行動作を行う走行モータ３６、走行モータの速度制御を行う走行インバータ３５からなる。
さらに、天井クレーン０１には、衝突警報ランプ６１、停止ランプ６２及び音声ガイダンス装置６３等の機器を備えるようにしている。

測域センサ２３は、演算手段としての人・形状認識パソコン２６に接続されている。
ここで、測域センサ２３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い、ここでは、「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。）、より具体的には、３次元ＬＩＤＡＲ（以下、「３Ｄ－ＬＩＤＡＲ」という。）、例えば、Velodyne Lidar, Inc.製の「Puck」や「Puck-Hi-Res」を使用するようにしている。
この測域センサ２３としての３Ｄ－ＬＩＤＡＲは、２次元（平面）状に光を照射して反射光が戻ってくるまでの時間を測定することで、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、すなわち、取扱物０９や対象物の計測を行い、その座標を算出する。
これにより、取扱物０９や対象物に対して３次元の計測をリアルタイムで行い、立体的な形状の検出を行うようにする。

以下、本発明に係るクレーンにおける安全装置を、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。

天井クレーン０１が目的位置へ移動完了後、フック０５下の取扱物０９の検知を行う。
人・形状認識パソコン２６は、取扱物０９の形状を測域センサ２３を使用して計測する。
測域センサ２３は、２次元（平面）状に光を照射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２３から対象までの距離を測定する。
図３は、そのイメージ図で２次元（平面）状に光をスキャンし、取扱物０９からの距離を測定する。
これにより、取扱物０９に対して３次元の計測をリアルタイムで行い、人・形状認識パソコン２６はその立体的な形状（荷姿情報）を求める。

そして、取扱物０９に対して３次元の計測をリアルタイムで継続的に行うことによって、具体的には、天井クレーン０１の運転時に、着床時の取扱物０９の複数箇所の高さと、吊上時の取扱物０９の当該複数箇所の高さとの差を算出し、算出した差から天井クレーン０１が荷役する取扱物０９の傾斜を直接検出するようにする。

より具体的には、例えば、図４に示すような直方体の取扱物０９の場合は、取扱物０９の４隅（取扱物０９の上面の対角位置）を、測域センサ２３としての３Ｄ－ＬＩＤＡＲで計測したポイントを、Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１）、Ｐ２（Ｘ２，Ｙ２）、Ｐ３（Ｘ３、Ｙ３）、Ｐ４（Ｘ４、Ｙ４）とする。
取扱物０９が、床面に置かれている状態（着床時）における、Ｐ１～Ｐ４の床面までの高さをＺ１～Ｚ４とすると、それぞれの長さは、
Ｘ１＝Ｌ１＊ｔａｎθ１／（１＋（ｔａｎθ１）^２＋（ｔａｎφ１）^２）^１／２
Ｙ１＝Ｌ１＊ｔａｎφ１／（１＋（ｔａｎθ１）^２＋（ｔａｎφ１）^２）^１／２
Ｚ１＝Ｈ－（Ｌ１^２－（Ｘ１^２＋Ｙ１^２））^１／２
Ｘ２＝Ｌ２＊ｔａｎθ２／（１＋（ｔａｎθ２）^２＋（ｔａｎφ２）^２）^１／２
Ｙ２＝Ｌ２＊ｔａｎφ２／（１＋（ｔａｎθ２）^２＋（ｔａｎφ２）^２）^１／２
Ｚ２＝Ｈ－（Ｌ２^２－（Ｘ２^２＋Ｙ２^２））^１／２
Ｘ３＝Ｌ３＊ｔａｎθ３／（１＋（ｔａｎθ３）^２＋（ｔａｎφ３）^２）^１／２
Ｙ３＝Ｌ３＊ｔａｎφ３／（１＋（ｔａｎθ３）^２＋（ｔａｎφ３）^２）^１／２
Ｚ３＝Ｈ－（Ｌ３^２－（Ｘ３^２＋Ｙ３^２））^１／２
Ｘ４＝Ｌ４＊ｔａｎθ４／（１＋（ｔａｎθ４）^２＋（ｔａｎφ４）^２）^１／２
Ｙ４＝Ｌ４＊ｔａｎφ４／（１＋（ｔａｎθ４）^２＋（ｔａｎφ４）^２）^１／２
Ｚ４＝Ｈ－（Ｌ４^２－（Ｘ４^２＋Ｙ４^２））^１／２
となる。

天井クレーン０１が荷役する取扱物０９の傾斜は、取扱物０９の対角Ｚ１、Ｚ３、対角Ｚ２、Ｚ４の高さの情報が床面にあった場合との差（差分）で検出する。
図４に示すように、取扱物０９が、床面に置かれている状態（着床時）における、それぞれの高さを、Ｚ１ｓ、Ｚ２ｓ、Ｚ３ｓ、Ｚ４ｓ、図５に示すように、取扱物０９の吊上時（又は運搬時）における、それぞれの高さを、Ｚ１ｔ、Ｚ２ｔ、Ｚ３ｔ、Ｚ４ｔとし、着床時の取扱物０９の対角の長さ（（Ｘ１＋Ｘ３）^２＋（Ｙ１＋Ｙ３）^２）^１／２に対する取扱物０９の対角の高さの差を（Ｚ１ｓ－Ｚ３ｓ）、対角の長さと高さ方向の差に対する角度をθｓ、吊上時の荷物運搬時の対角の高さの差を（Ｚ１ｔ－Ｚ３ｔ）、対角の長さと高さ方向の差に対する角度をθｔとすると、
ｔａｎθｓ＝（Ｚ１ｓ－Ｚ３ｓ）／（（Ｘ１＋Ｘ３）^２＋（Ｙ１＋Ｙ３）^２）^１／２
ｔａｎθｔ＝（Ｚ１ｔ－Ｚ３ｔ）／（（Ｘ１＋Ｘ３）^２＋（Ｙ１＋Ｙ３）^２）^１／２
ｔａｎθｔ／ｔａｎθｓ＝（（Ｚ１ｔ－Ｚ３ｔ）／（（Ｘ１＋Ｘ３）^２＋（Ｙ１＋Ｙ３）^２）^１／２）／（（Ｚ１ｓ－Ｚ３ｓ）／（（Ｘ１＋Ｘ３）^２＋（Ｙ１＋Ｙ３）^２）^１／２）
ｔａｎ（θｔ／θｓ）＝（Ｚ１ｔ－Ｚ３ｔ）／（Ｚ１ｓ－Ｚ３ｓ）
θｔ／θｓ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｚ１ｔ－Ｚ３ｔ）／（Ｚ１ｓ－Ｚ３ｓ））
となり、角度に対する差が（Ｚ１ｔ－Ｚ３ｔ）と（Ｚ１ｓ－Ｚ３ｓ）の関数として表すことができ、これを計算することで、天井クレーン０１が荷役する取扱物０９の傾斜を直接検出することができる。

そして、天井クレーン０１の運転状況や取扱物０９の種類等によって、θｔ／θｓの閾値を設定し、計算した値が閾値を超える場合は、天井クレーン０１の運転（巻き上げ）を自動的に停止し、無線機子機３８を操作している作業者１３（以下、「オペレータ」という。）に音声ガイダンス装置６３から音声アナウンスにより注意喚起を行うようにする。

併せて、図６に示すように、天井クレーン０１の運転（巻き上げ）中に取扱物０９が回転したこと（回転角度α）を、取扱物０９の上面の対角位置の変位から取扱物０９の回転角度を計算するようにする。

そして、天井クレーン０１の運転状況や取扱物０９の種類等によって、回転角度αの閾値（例えば、５～１０°）を設定し、計算した値が閾値を超える場合は、天井クレーン０１の運転（巻き上げ）を自動的に停止し、オペレータに音声ガイダンス装置６３から音声アナウンスにより注意喚起を行うようにする。

天井クレーン０１は、取扱物０９を巻き上げた後に、移動（走行及び／又は横行）動作移動に移るが、その間も必要に応じて、取扱物０９の傾斜や回転角度αの検出を継続して行うことができる。

以上、本発明のクレーンにおける安全装置について、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。

本発明のクレーンにおける安全装置は、簡易な設備構成で、取扱物の３次元の計測をリアルタイムで行うことを可能とすることによって、クレーンが荷役する取扱物の傾斜を直接検出することができることから、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
０９取扱物
１１ヘルメット
１３作業者（対象物）
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走行レーザ距離計
２５横行レーザ距離計
２６演算装置（人・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

Claims

クレーンの運転時に、クレーンが荷役する取扱物の傾斜を検出するクレーンにおける安全装置において、クレーンが荷役する取扱物の荷姿情報をリアルタイムで取得するクレーンに搭載した３次元測域センサを用いて、以下（ａ）～（ｃ）によって、クレーンの運転時に取扱物の傾斜を検出し、クレーンの運転を自動的に停止するようにしたことを特徴とするクレーンにおける安全装置。
（ａ）３次元測域センサを用いてクレーンが荷役する取扱物の着床時における上面の対角位置の床面までの高さを含む座標を取得する。
（ｂ）クレーンが荷役する取扱物の傾斜を、３次元測域センサを用いて取得した取扱物の荷役時における上面の対角位置の高さ情報と、取扱物の着床時における上面の対角位置の高さ情報とに基づいて検出する。
（ｃ）検出したクレーンが荷役する取扱物の傾斜が、予め設定した閾値を超えた場合、クレーンの運転を自動的に停止する。
前記取扱物の上面の対角位置の変位から取扱物の回転角度を検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のクレーンにおける安全装置。