板（50)、后挡板（51)、左侧板（52)、右侧板（53)、开放式上顶板（54)和下底 板（60)，开放式上顶板中间设有用于连接吊绳穿过的上通孔（55)，该上顶板和下底板（60) 分别与前挡板、后挡板、左侧板和右侧板固定连接组成半封闭的吊钩壳体，在吊钩壳体的右 侧板（53)及下底板(60)的中间至交接处分别设有供吊钩旋转的开槽；吊钩壳体的外侧通 过贯穿前挡板（50)和后挡板（51)的支撑转轴固定有一个U型转动支架(62)，吊钩壳体内 部的支撑转轴上安装有两个固定支架(61)，形成吊钩壳体单元。3. 根据权利要求2所述的自动吊钩系统，其特征在于第一部分中所述的安全闭锁模块 (2)位于吊钩槽口端，包括电磁铁（4)和安全锁片（5)，安全锁片（5)位于吊钩槽形开口内 侦牝安全锁片为一体式联动机构，通过锁片移动臂（57)与电磁铁（4)的滑杆相连接；电磁 铁通电，通过推杆（65)驱动锁片移动臂，带动锁片转轴（63)转动，安全锁片（5)跟随转轴 向吊钩槽口内侧转动，从而打开锁片，进行负载挂取操作；安全锁片移动臂上方设有拉伸弹 簧（64)，拉伸弹簧与吊钩上臂内部连接，电磁铁工作时，拉伸弹簧处于拉伸状态，电磁铁断 电时通过弹簧拉力使安全锁片复原； 所述的吊钩作业模块（3)位于吊钩壳体单元内部的中心区域，包括吊钩(6)、执行电机 (7)、工作状态指示灯（8)、模式选择开关（9)、齿轮组（10)、蜗轮（11)、支撑转轴（12)、联轴 器（13)、蜗杆（14)和限位开关（15)，执行电机和蜗杆固定在吊钩壳体内部的固定支架（61) 上，执行电机输出轴通过联轴器与蜗杆连接，电机、蜗轮与蜗杆之间连接构成一级传动；齿 轮组的一级齿轮与吊钩固定安装在支撑转轴上，支撑转轴通过键连接驱动吊钩旋转，构成 二级传动；一对限位开关分别位于吊钩壳体的侧立板开槽上端和下底板的开槽底端，限定 吊钩的旋转区域，模式选择开关位于吊钩壳体上顶板，工作状态指示灯位于吊钩壳体单元 的右侧板上方位置；所述模式选择开关包括手动、半自动和全自动三种工作模式。4. 根据权利要求2所述的自动吊钩系统，其特征在于第二部分中所述的负载质量检测 模块（17)位于壳体上方，包括拉压力传感器（21)、检测工作电路模块（22)、吊环（23)和吊 绳（24)，拉压力传感器位于吊钩壳体单元的上方区域，拉压力传感器的上端通过吊环与吊 车普通吊钩或者吊绳相连接，下端通过吊环和吊绳与吊钩连接，同时通过导线与位于吊钩 壳体单元左侧板内侧的检测工作电路模块（22)连接； 吊钩状态检测模块（18)位于吊钩与齿轮组连接位置的下方，包括倾角传感器（25)、陀 螺仪传感器（26)、加速度计（27)和检测工作电路模块（28)，倾角传感器、陀螺仪传感器和 加速度计设置在吊钩的位于下底板上方的位置，并通过导线与位于吊钩壳体单元前挡板内 侧的检测工作电路模块（28)连接，检测吊钩运行状态信息，包括角度、位置、速度、角速度、 加速度和角加速度，检测工作电路模块连接至系统控制单元（32)，实现吊钩状态检测； 视频图像采集模块（19)包括检测工作电路模块（28)、摄像头（29)，检测电路位于吊钩 壳体内侧，所述摄像头安装在壳体外部的U型转动支架(62)封闭端中心位置上，U型转动 支架跟随吊钩同步动作，获取吊钩的即时信息； 环境特征监测模块（20)位于壳体左侧板内部，包括化学传感器（30)和温湿度传感器 (31)，化学传感器和温湿度传感器分别设置在左侧板上端位置，并通过通孔探出壳体。5. 根据权利要求2所述的自动吊钩系统，其特征在于第三部分中所述的电源控制模块 (33)位于壳体单元上顶板和左侧板的上端位置，包括电源开关（36)、电源接口（37)、充电 电池组（38)、电源指示灯（39)和电压转换模块（40)，电源开关和电源指示灯位于上顶板外 侦牝电源接口位于左侧板的上端，通过导线经左侧板开放通孔与电源指示灯、电压转换模块 和充电电池组连接，电压转换模块和充电电池组固定设置在壳体单元上顶板的内侧，充电 电池组采用不间断方式备份一组电源以防止出现电源安全问题； 无线接收模块（35)位于壳体单元前挡板内侧，包括天线（42)和无线接收器（43)，天线 经通孔探出挡板，无线接收器通过导线与系统主控模块（34)相连接。6. 根据权利要求1至5任一项所述的自动吊钩系统，其特征在于第三部分中所述的系 统主控模块（34)，实现对吊钩系统的控制，包括自动吊钩算法、安全预警策略和滤波算法； 其中， 自动吊钩算法，用于系统的核心功能控制实现，系统主控模块（34)通过第二部分吊钩 信息监测单元中使用的拉压力传感器对负载的质量实时监测，当负载的质量发生规律性的 变化时，每一种变化会对应一种工作状态，系统软件控制模块会实时自动进行识别，判断吊 钩的负载实时状态，进而做出吊钩闭锁或者脱钩动作，并将吊钩负载信息实时返回给吊钩 系统控制单元；控制流程：吊车控制人员控制吊钩的位置进入负载核心区域，吊钩系统的 定位点与负载吊环的定位点水平偏差在吸引装置的吸引距离范围内时，可以校正吊钩定位 点（58)与吊环定位点（59)保持在同一竖直位置上，无水平偏差；设M表示负载的质量，m 表示质量的中间变化值，根据所挂负载的不同，参数m值不同，取m= 10% *M，数据波动率 由软件滤波算法设置；质量数据由〇变化到m时，数据稳定无较大幅度波动时，即数据波动 率小于5%，系统控制器发出落钩指令，吊钩完成闭锁操作；空载状态变成挂载状态，待吊 车操作人员提升负载；质量数据由m变化到M时，数据稳定无较大幅度波动时，系统控制器 维持吊钩状态，吊车作业运行；挂载状态变成提升状态，待吊车操作人员提升负载到目标位 置；质量数据由M变化到m时，数据稳定无较大幅度波动时，提升状态变成卸载状态，待数据 稳定在m值，负载到达目标位置；质量数据由m变化到0时，数据稳定无较大幅度波动时，卸 载状态变成空载状态，系统控制器发出脱钩指令，吊钩完成开锁操作，负载与吊钩分离，完 成整个作业过程； 安全预警策略，用于系统监控吊钩所吊取的负载信息，实时对吊钩运行状态进行监控 预警，包括四级工作策略；所述四级工作策略包括一级策略、二级策略、三级策略和四级策 略；一级策略即为安全工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载小于或者等于额定负 载的70%，系统主控模块（34)发出控制指令，执行一级策略，输出绿色信号；二级策略为 黄色预警工作模式，负载数据无明显波动并且实时负载在额定负载的70%到90%之间，系 统主控模块（34)发出控制指令，执行二级策略，输出黄色信号；三级策略为橙色预警工作 模式，负载数据无明显波动并且实时负载在额定负载的90%到100%之间，系统主控模块 (34)发出控制指令，执行三级策略，输出橙色信号；四级策略为红色预警工作模式，负载数 据有明显波动，即数据波动率大于5%，或者实时负载大于额定负载，系统主控模块（34)发 出控制指令，执行四级策略，输出红色报警信号，自动吊钩停止工作，并且返回给吊车停止 作业信号； 滤波算法，用于对检测负载信息进行滤波处理，应用数字滤波算法提高系统采样数据 的可靠性，可避免在临界值附近吊钩控制器的反复开/关跳动或状态显示器上数值抖动； 应用消抖动滤波法，设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值等 于当前有效值，则计数器清零；如果采样值不等于当前有效值，则计数器+1，并判断计数器 是否大于等于计数器上限C = 3 ;如果计数器大于等于计数器上限C = 3表示溢出，则将本 次值替换当前有效值，并清零计数器；应用加权递推平均滤波法，即不同时刻的数据对应不 同的权值系数，越接近现时刻的数据，权值系数取得越大；给予新采样值的权系数越大，则 系统工作灵敏度越高；把连续N个采样值看成一个队列，队列长度固定为N ;每次采样到一 个新数据放入队尾，并丢弃队首的一次数据；把队列中的N各数据进行加权平均运算，获得 新的滤波结果：其中，S表示滤波结果，i表示采样时刻，N表示采样次数，a [i]代表i时刻消抖采样值， b[i]代表i时刻对应的权重系数。
【专利摘要】一种自动吊钩系统。该系统包括：吊钩工作执行单元(1)，用于执行吊钩作业；吊钩信息检测单元(16)，用于检测系统信息；系统控制单元(32)，用于控制吊钩系统工作；人机交互操作单元(44)，用于系统的人机交互操作；以及吊钩壳体单元(49)，用于吊钩的外部支撑。包括：一种自动吊钩装置，完成吊钩基本操作功能；传感设备采集吊钩工作场景信息，返回给吊车控制人员，实时跟踪作业情况；系统控制器根据负载质量信息，做出吊钩控制动作，自动完成吊钩的无人化作业。本发明解决了传统吊钩无法实现自动化操作的技术问题，可用在危险复杂环境，安全性能高，便于制造、安装、拆卸以及维护。
【IPC分类】B66C1/40, B66C13/40, B66C13/22, B66C13/46, B66C15/06
【公开号】CN105347181
【申请号】CN201510888543
【发明人】方勇纯, 郝敬乾, 李彬, 孙宁
【申请人】南开大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年12月7日