KR101830519B1 - 신뢰성이 우수한 타워크레인 충돌방지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타워크레인 충돌방지 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 타워크레인의 선회 각도를 측정하며, 타원크레인이 360도 회전할 때마다 원점 보정이 이루어지는 선회 측정부, 센서들로부터 측정된 타워크레인의 움직임 데이터를 타 타워크레인에게 무선으로 송신하고 타 타워크레인의 움직임 데이터를 무선으로 수신하는 무선 송수신부, 센서들로부터 수집된 타워크레인의 움직임 데이터 및 기 입력된 타워크레인의 좌표 데이터를 이용하여 타워크레인의 충돌 경로를 실시간으로 연산하여 충돌 위험이 있는 경우 위험 신호를 경보 표시부에 송신하는 제어부 및 제어부로부터 위험 신호를 받아 알람을 울리고 충돌 경로를 디스플레이 하는 경보 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 타워크레인의 움직임을 실시간으로 측정하는데 있어서 센서의 측정오차를 최소화함으로써 신뢰성이 향상된 타워크레인 충돌방지 시스템을 구현할 수 있다.

Description

신뢰성이 우수한 타워크레인 충돌방지 시스템{a system for preventing collision between tower cranes with an excellent reliability}

본 발명은 신뢰성이 우수한 타워크레인 충돌방지 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 센서를 통한 데이터의 측정 오차를 최소화함으로써 신뢰성이 향상된 타워크레인 충돌방지 시스템에 관한 것이다.

건설현장에서 자재를 인양하는 타워크레인은 선회, 트롤리의 전진 및 후진, 호이스트의 상승 및 하강 동작을 하는 상부와, 상부를 지지하는 마스트로 구성된다. 타워크레인은 지브의 동작 형태에 따라 T형 타워크레인과 러핑형 타워크레인으로 구분된다. 러핑형 타워크레인은 선회 반경 내 건물 등이 있을 경우 지브(러핑)을 들어 올려 360도 선회가 가능하다.

타워크레인은 건설, 산업 현장에 단독 또는 여러 대가 설치되어 사용되는데, 특정 타워크레인의 작업 반경과 다른 타워크레인의 작업 반경이 겹쳐는 구역에서 조종을 할 경우에는 타워크레인 간에 충돌할 위험이 있다. 즉 높은 타워크레인의 호이스트 와이어와 낮은 타워크레인의 지브 또는 카운터지브와 충돌할 수 있으며, 동일 높이의 타워크레인이 설치된 경우 또는 T형 타워크레인과 러핑형 타워크레인이 혼재되어 설치된 경우에는 지브와 지브, 지브와 카운터지브 간 충돌 위험이 있다. 또한 타워크레인 작업 반경 내에 철도, 건물, 변압기 등 위험 구조물이 있을 경우 위험 구조물 위로 건축자재를 인양하면서 위험 구조물과의 충돌 위험이 존재한다(도 1 참조).

도 1에는 복수의 타워크레인에 있어서 회전 반경이 서로 중첩됨을 도시하였다. 회전 반경(선회 궤도)이 중첩된 타워크레인 사이에서는 타워크레인의 구조물, 특히 지브나 카운터 지브가 호이스트 와이어나 후크 등과 충돌할 위험이 존재한다.

타워크레인이 충돌하는 경우에는 타워크레인의 전도와 인양물의 낙하 등이 발생할 수 있다. 이 경우 인명 및 대형 피해가 발생할 수 있다. 이러한 이유로 타워크레인의 작업 중 타워크레인의 움직임을 감지 및 모니터링하여 타워크레인 간의 충돌 위험을 감지하여 타워크레인 운전자에 자동으로 경보함으로써 안전 사고를 예방할 수 있는 기술 개발에 대한 요청이 증대되고 있다.

1. 한국공개특허공보 제10-2011-0004524호(2011.01.14.) 2. 한국등록특허공보 제10-1601644호(2016.03.03.)

본 발명은 신뢰성이 우수한 타워크레인 충돌방지 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면은, 타워크레인의 선회 각도를 측정하며, 타원크레인이 360도 회전할 때마다 원점 보정이 이루어지는 선회 측정부, 센서들로부터 측정된 타워크레인의 움직임 데이터를 타 타워크레인에게 무선으로 송신하고 타 타워크레인의 움직임 데이터를 무선으로 수신하는 무선 송수신부, 센서들로부터 수집된 타워크레인의 움직임 데이터 및 기 입력된 타워크레인의 좌표 데이터를 이용하여 타워크레인의 충돌 경로를 실시간으로 연산하여 충돌 위험이 있는 경우 위험 신호를 경보 표시부에 송신하는 제어부 및 제어부로부터 위험 신호를 받아 알람을 울리고 충돌 경로를 디스플레이 하는 경보 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 타워크레인 충돌방지 시스템일 수 있다.

본 발명에 의하면 타워크레인의 움직임을 실시간으로 측정하는데 있어서 센서의 측정오차를 최소화함으로써 신뢰성이 향상된 타워크레인 충돌방지 시스템을 구현할 수 있다.

도 1은 타워크레인 간 충돌 경로를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 T형 타워크레인의 구조를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 타워크레인 충돌방지 시스템에서 선회부의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 타워크레인 충돌방지 시스템에서 트롤리 위치 측정부의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

본 발명은 측정 오차를 최소화함으로써 신뢰성이 향상된 타워크레인 충돌방지 시스템에 관한 것이다.

도 1은 타워크레인 간 충돌 경로를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 2는 T형 타워크레인의 구조를 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 타워크레인 충돌방지 시스템에서 선회부의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 타워크레인 충돌방지 시스템에서 트롤리 위치 측정부의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 1을 참조하면, 인접하는 타워크레인 간에는 작업 도중 타원크레인이 서로 충돌할 수 있는 위험이 상존하고 있음을 확인할 수 있다. 즉 높은 타워크레인의 호이스트 와이어와 낮은 타워크레인의 지브 또는 카운터지브 간에 충돌할 위험이 있고, 또한 인근 구조물과도 충돌할 위험이 있음을 알 수 있다.

도 2에는 T형 타워크레인의 구조를 개략적으로 도시하였다. 도 2를 참조하면, 타워크레인은 지면에 고정되는 앵커의 상단에 설치되는 철골 구조의 마스트(100), 마스트(100)의 상단에 설치되는 운전실(102), 운전실(102)의 전후에 각각 연결되는 트러스 구조의 지브(jib, 103)와 카운터 지브(counter jib, 107)를 포함한다. 지브(103)에는 지브(103)를 따라 횡행하는 트롤리(trolley; 104)가 설치되며, 트롤리(104)에서 내려진 호이스트 와이어(hoist wire; 105)에는 후크(hook; 106)가 설치된다. 후크(106)에는 적재물이 달려 권상 작업이 이루어진다. 카운터 지브(15)의 후미에는 무게 균형을 위한 카운터 웨이트(counter weight)가 설치된다. 마스트부(100) 상측의 구조물, 즉 운전실(102), 지브(103), 카운터지브(107) 등은 마스트부(100)에 대해 선회(회전) 작업을 하게 된다.

타워크레인 선회 각도는 접촉식 엔코더를 이용한 접촉 방식을 통하여 측정하는 것이 일반적이다. 하지만, 타워크레인의 경우 제작사와 기종에 따라 선회 기어의 크기 및 기어수가 달라 여러 종류의 기구물을 제작하여야 하고, 고공에서 엔코더 부착을 위한 용접 작업이 매우 위험하다는 문제가 있다.

또한 비접촉 방식을 사용할 수도 있는데, 이러한 비접촉 방식 중 GPS를 이용하는 경우에는 GPS의 특성상 오차로 인하여 정확한 선회 각도 검출이 어렵다는 문제가 있다.

또한, 비접촉 방식 중 지자기 센서를 이용하는 경우에도 역시 주변 환경 변화에 따른 오차가 발생하며 지자기 캘리브레이션을 하더라도 최소 수 미터 이상의 반경을 갖는 회전 지점에서의 지자기 패턴이 다르기 때문에 정확한 선회 각도를 검출하기 어렵다는 문제가 있다.

본 측면은, 타워크레인의 선회 속도, 진동 등의 동작 특성과 철 구조물 등의 설치 환경에 특화된 자이로를 이용한 비접촉식 센서와 선회 센서를 타워크레인에 설치함으로써 센서의 측정 오차를 없애는 것을 특징으로 한다.

타워크레인 선회 장치(200)는 고정 하부(201)와 360도 회전 가능한 회전 상부(202)로 구성된 턴테이블 구조를 가질 수 있다. 회전 상부(202)에 기계식, 전자식 접점 장치(204)를 장착하고 회전 하부(201)에 검출부(203)를 설치하여 회전 상부(202)가 360도 회전할 때 1회만 검출되도록 할 수 있다. 타워크레인 회동 중에 회전 상부(202)의 접점 장치(204)가 고정 하부(201)의 검출부(203)를 지날 때마다 원점 보정이 이루어지도록 할 수 있다.

이렇게 함으로써, 설치 및 유지보수에 어려움이 있는 부착식 엔코더를 사용하지 아니하고도, 비접촉 센서를 사용하면서도 절대 방향 각도를 측정할 수 있다. 또한 타워크레인이 한 바퀴 선회할 때마다 원점 보정이 이루어지므로 오차 없이 정확하게 타워크레인의 선회 각도를 측정할 수 있어, 타워크레인의 충돌 위험을 보다 정확하게 연산하여 경보를 울림으로써 작업안전성을 향상시킬 수 있다.

본 측면에서는, 타워크레인은 T형 타워크레인으로서, 지브 상 트롤리의 위치를 측정하는 트롤리 위치 측정부를 더 포함할 수 있으며, 트롤리 위치 측정부는 트롤리 상에 장착된 반사판 및 지브의 양단에 장착되어 반사판으로부터 반사된 LED 광을 수광하여 트롤리(반사판)와의 거리를 측정하는 LED 센서를 포함할 수 있다.

T형 타워크레인의 지브 길이는 통상 70m 내지 80m 이다. 지브 상에는 트롤리가 장착되며 트롤리는 지브 위를 전진 및 후진하며 이동할 수 있다. 트롤리는 호이스트 와이어 연결되어 있다. 타워크레인의 선회 동작과 트롤리의 전후진 동작이 유기적 결합을 통하여 권상 이동 및 권하 이동이 가능하다.

지브 상 트롤리 위치를 파악하기 위하여, 기존에는 트롤리의 기어에 포텐셜미터를 부착하고 기어의 회전수를 카운트하거나 또는 레이저 거리 센서를 이용하였다. 포텐셜미터를 부착하는 방식은 매우 무거운 하중을 가지는 기구물을 트롤리에 제작하여 설치 부착하여야 한다는 문제점과 충돌방지시스템을 위한 독립적인 설치가 어렵다는 문제가 있다. 레이저 거리 센서를 이용하는 방식은 레이저 특성상 70m 내지 80m 의 거리에서는 레이저의 초점을 유지하기 어렵다는 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 측면에서는 방사각이 레이저보다 넓은 LED 광선을 이용하여 트롤리에 설치된 반사판으로부터 수광되는 광선을 통하여 트롤리와의 거리, 즉 트롤리의 위치를 측정하는 것을 특징으로 한다. 이로써 트롤리에 무거운 중량의 기구물을 별도로 부착하지 아니하고도 독립적으로 트롤리와의 거리(트롤리의 위치)를 측정할 수 있다. 또한, 지브의 양단(시작 지점과 끝 지점)에 각각 LED 센서를 설치하여 이중으로 트롤리와의 거리를 측정함으로써 트롤리 거리 측정의 신뢰성을 높일 수 있다.

LED 센서를 하나 사용할 수도 있고, LED 센서를 2개 사용할 수도 있다. 도 4를 참조하며, 먼저, LED 센서를 하나만 사용하는 경우에는 지브의 일단에 제1 LED 센서를 설치하고, 트롤리에는 반사판을 설치하며, 제1 LED 센서와 반사판 사이의 거리(D)를 측정함으로써 지브 상에서 트롤리의 위치를 측정할 수 있다.

다음, LED 센서를 두 개 사용하는 경우에는, 트롤리(104) 상에 반사판(R)을 설치하고 지브(103)의 양단에 제1 LED 센서(L1)와 제2 LED 센서(L2)를 설치할 수 있다. 이 때 제1 LED 센서와 반사판 사이의 거리(d1)과 제2 LED 센서와 반사판 사이의 거리(d2)의 거리를 이중으로 측정함으로써 지브 상에서 트롤리의 위치를 보다 정확하게 측정할 수 있다. 만약 어느 하나의 LED 센서가 고장 나더라도 나머지 LED 센서로 동작이 가능하므로 급박한 상황에 대한 대처가 가능하다.

무선 송수신부는 인접한 타워크레인과 통신을 하는 장치로서, 예컨대 RF 송신부 및 수신부로 구성될 수 있다. 무선 송수신부를 구성하는 송신부와 수신부는 하나의 장치로 할 수도 있고, 별개의 장치로 할 수도 있다. 예를 들어 무선통신 모뎀을 사용할 수 있다.

타워크레인의 충돌 위험을 검출하기 위해서는 1) 지브 길이, 카운터지브 길이, 러핑 길이, 설치 높이 등 타워크레인의 설치 제원, 2) 타워크레인 배치 좌표, 3) 구조물의 배치 좌표와 높이, 4) 타워크레인의 움직임 (선회 각도, T형 타워크레인에서의 트롤리 위치, 러핑형 타워크레인에서의 러핑 각도)에 대한 정보가 필요하다. 여기서, 1), 2), 3) 의 경우 사전에 미리 결정되는 것이지만, 4)의 경우는 타워크레인에 선회 센서, 트롤리거리 센서, 러핑 센서 등의 센서를 설치를 하여 실시간으로 타워크레인의 움직임 데이터를 수집함으로써 얻을 수 있는 정보이다.

수집된 타워크레인의 움직임 데이터를 무선 통신을 이용하여 회전 반경이 중첩되는 타워크레인 간에 서로 교환할 수 있다. 예를 들어, 타워크레인 T1과 T2가 서로 회전 반경 등이 중첩되어 있는 경우, T1 의 선회 각도, 트롤리 거리, 러핑 각도 등의 정보를 무선통신에 의하여 T2에 송신하고, T2의 선회 각도, 트롤리 거리, 러핑 각도 등의 정보를 T1 에 송신하여, 인접한 타워크레인 간에 상호 교환할 수 있다.

각 타워크레인의 제어부에서는 타워크레인 간 충돌 가능 거리를 연산하여 설정 거리 이내 진입 시에 타워크레인 운전실의 모니터를 통하여 충돌위험을 자동으로 경보을 울릴 수 있다. 인접한 타워크레인의 높이가 동일한 경우에는, 지브와 지브의 충돌 경로, 지브와 카운터 지브의 충돌 경로 및 카운터지브와 카운터지브의 충돌 경로를 연산할 수 있다. 인접한 타워크레인의 높이가 상이한 경우에는, 높은 타워크레인의 트롤리 위치 또는 러핑 위치와 낮은 타워크레인의 지브, 카운터지브와의 충돌 경로를 연산할 수 있다.

경보 표시부는 경보 신호를 수신한 경우 경보 신호를 표시할 수 있다. 경보 표시부는 경보등을 포함할 수 있는데, 경보 신호를 수신한 경우 경보등이 점등된다. 경보등은 하나 또는 복수개로 구성될 수 있다. 예컨대 타워크레인의 회전 반경과 중첩되는 인접한 타워크레인의 수와 동일한 개수로 마련될 수 있다. 제어부가 무선 송수신부를 통해 인접한 타워크레인으로부터 경보 신호를 수신한 경우, 이 경보 신호를 송신한 타워크레인에 대응하는 경보등만을 점등시킴으로써, 작업자는 어느 타워크레인과 충돌 위험이 있는지를 시각적으로 즉각 판단할 수 있다.

한편, 경보 표시부는 경보벨을 포함할 수 있다. 제어부가 경보 신호를 수신한 경우 경보벨을 울림으로써, 작업자가 충돌 위험을 청각적으로 즉각 판단할 수 있다. 또한, 제어부가 경보 신호를 수신한 경우, 충돌 위험이 있는 타워크레인을 식별할 수 있는 음성, 예컨대 "제1호기와 충돌 위험" 또는 "제1호기로부터 경보신호 수신" 등과 같은 음성을 음성벨을 통해 발화함으로써, 작업자가 경보 표시부를 보지 않더라도 충돌 위험이 있는 타워크레인을 청각적으로 즉각 인지할 수 있도록 할 수도 있다.

본 발명에서 사용하는 용어는 특정한 실시형태를 설명하기 위한 것으로 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부한 도면에 의하여 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 보아야 할 것이다.

100: 마스트 102: 조종실
103: 지브 104: 트롤리
105: 호이스트 와이어 106: 후크
107: 카운터지브 200: 선회부
201: 고정 하부 202: 회전 상부
203: 검출기구 204: 접점 장치
205: 선회 센서 206: 콘트롤러 및 디스플레이부

Claims (7)

1. 타워크레인의 선회 각도를 측정하며, 상기 타워크레인이 360도 회전할 때마다 원점 보정이 이루어지는 선회 측정부;
   센서들로부터 측정된 타워크레인의 움직임 데이터를 타 타워크레인에게 무선으로 송신하고 타 타워크레인의 움직임 데이터를 무선으로 수신하는 무선 송수신부;
   센서들로부터 수집된 타워크레인의 움직임 데이터 및 기 입력된 타워크레인의 좌표 데이터를 이용하여 타워크레인의 충돌 경로를 실시간으로 연산하여 충돌 위험이 있는 경우 위험 신호를 경보 표시부에 송신하는 제어부; 및
   상기 제어부로부터 위험 신호를 받아 알람을 울리고 충돌 경로를 디스플레이 하는 경보 표시부;를 포함하되,
   상기 선회 측정부는,
   마스트 상에 장착되어 고정되고 검출 기구를 구비한 고정 하부;
   상기 고정 하부 상에 회동 가능하도록 장착되어 접점 장치를 구비한 회전 상부; 및
   상기 검출 기구에 연결되어 타워크레인의 선회 각도를 측정하는 선회 센서를 가지는 것을 특징으로 하는, 타워크레인 충돌방지 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 타워크레인은 T형 타워크레인으로서, 지브 상 트롤리의 위치를 측정하는 트롤리 위치 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 타워크레인 충돌방지 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 트롤리 위치 측정부는,
   상기 트롤리 상에 장착된 반사판; 및
   상기 지브의 양단에 장착되어, 상기 반사판으로부터 반사된 LED 광을 수광하여 상기 트롤리와의 거리를 측정하는 LED 센서;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는, 타워크레인 충돌 방지 시스템.
   
5. 제3항에 있어서, 상기 제어부에서는, 동일 높이 타워크레인 간에는 지브와 지브, 지브와 카운터지브, 카운터지브와 카운터지브 간의 충돌 경로를 연산하고, 높이가 상이한 타워크레인 간에는 높은 타워크레인의 트롤리 위치와 낮은 타워크레인의 지브 또는 카운터지브와의 충돌 경로를 연산하는 것을 특징으로 하는, 타워크레인 충돌 방지 시스템.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 타워크레인은 러핑형 타워크레인으로서, 러핑 기복 각도를 측정하는 러핑 센서(러핑 각도 측정부)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 타워크레인 충돌 방지 시스템.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 제어부에서는, 높은 타워크레인의 러핑 위치와 낮은 타워크레인의 지브 또는 카운터지브와의 충돌 경로를 연산하는 것을 특징으로 하는, 타워크레인 충돌방지 시스템.
   

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