Los desarrollos generales en microelectrónica y en la tecnología de sensores dan motivos para esperar que se pueda lograr una mejora en la seguridad laboral a través de la disponibilidad de detectores de presencia y aproximación confiables, resistentes, de bajo mantenimiento y económicos. Este artículo describirá la tecnología de sensores, los diferentes procedimientos de detección, las condiciones y restricciones aplicables al uso de sistemas de sensores, y algunos estudios y trabajos de estandarización realizados en Alemania.

Criterios del detector de presencia

El desarrollo y ensayo práctico de los detectores de presencia es uno de los mayores retos futuros de los esfuerzos técnicos para mejorar la seguridad laboral y la protección del personal en general. Detectores de presencia son sensores que señalan de forma fiable y segura la cerca de la presencia o acercamiento de una persona. Además, esta advertencia debe ocurrir rápidamente para que la acción evasiva, el frenado o el apagado de una máquina estacionaria puedan tener lugar antes de que se produzca el contacto previsto. El hecho de que las personas sean grandes o pequeñas, sea cual sea su postura o su forma de vestir no debería afectar a la fiabilidad del sensor. Además, el sensor debe tener certeza de funcionamiento y ser robusto y económico, de modo que pueda usarse en las condiciones más exigentes, como en obras de construcción y para aplicaciones móviles, con un mantenimiento mínimo. Los sensores deben ser como una bolsa de aire en el sentido de que no requieren mantenimiento y están siempre listos. Dada la renuencia de algunos usuarios a mantener lo que pueden considerar como equipo no esencial, los sensores pueden quedar sin servicio durante años. Otra característica de los detectores de presencia, mucho más solicitada, es que también detectan obstáculos distintos a los humanos y alertan al operador a tiempo para tomar medidas defensivas, reduciendo así costes de reparación y daños materiales. Esta es una razón para instalar detectores de presencia que no debe menospreciarse.

Aplicaciones de detectores

Innumerables accidentes mortales y lesiones graves que parecen actos del destino inevitables e individuales, pueden evitarse o minimizarse siempre que los detectores de presencia sean más aceptados como medida de prevención en el campo de la seguridad laboral. Los periódicos informan de estos accidentes con demasiada frecuencia: aquí una persona fue golpeada por un cargador que se movía hacia atrás, allí el operador no vio a alguien que fue atropellado por la rueda delantera de una pala mecánica. Los camiones que retroceden en las calles, las instalaciones de la empresa y las obras de construcción son la causa de muchos accidentes para las personas. Las empresas completamente racionalizadas de hoy en día ya no proporcionan copilotos u otras personas que actúen como guías para el conductor que está dando marcha atrás a un camión. Estos ejemplos de accidentes en movimiento se pueden extender fácilmente a otros equipos móviles, como carretillas elevadoras. Sin embargo, se necesita con urgencia el uso de sensores para prevenir accidentes que involucren equipos semimóviles y puramente estacionarios. Un ejemplo son las áreas traseras de las máquinas de carga grandes, que han sido identificadas por el personal de seguridad como áreas potencialmente peligrosas que podrían mejorarse mediante el uso de sensores económicos. Muchas variaciones de detectores de presencia se pueden adaptar de manera innovadora a otros vehículos y grandes equipos móviles para proteger contra los tipos de accidentes que se analizan en este artículo, que generalmente causan daños extensos y lesiones graves, si no fatales.

La tendencia de las soluciones innovadoras a generalizarse parecería prometer que los detectores de presencia se convertirán en la tecnología de seguridad estándar en otras aplicaciones; sin embargo, este no es el caso en ninguna parte. El avance, motivado por accidentes y daños materiales elevados, se espera en el seguimiento detrás de furgonetas de reparto y camiones pesados ​​y para las áreas más innovadoras de las “nuevas tecnologías”: las máquinas robotizadas móviles del futuro.

La variación de los campos de aplicación de los detectores de presencia y la variabilidad de las tareas, por ejemplo, tolerar objetos (incluso objetos en movimiento, bajo ciertas condiciones) que pertenecen a un campo de detección y que no deben disparar una señal, requieren sensores en los que “ La tecnología de evaluación "inteligente" apoya los mecanismos de la función del sensor. Esta tecnología, que es un tema para el desarrollo futuro, se puede elaborar a partir de métodos basados ​​en el campo de la inteligencia artificial (Schreiber y Kuhn 1995). Hasta la fecha, una universalidad limitada ha restringido severamente los usos actuales de los sensores. Hay cortinas de luz; barras de luz; esteras de contacto; sensores infrarrojos pasivos; detectores de movimiento por ultrasonido y radar que utilizan el efecto Doppler; sensores que miden el tiempo transcurrido de impulsos ultrasónicos, de radar y de luz; y escáneres láser. Las cámaras de televisión normales conectadas a monitores no se incluyen en esta lista porque no son detectores de presencia. Sin embargo, se incluyen aquellas cámaras que sí se activan automáticamente al detectar la presencia de una persona.

La tecnología de sensores

Hoy en día, los principales problemas de los sensores son (1) la optimización del uso de los efectos físicos (infrarrojos, luz, ultrasonido, radar, etc.) y (2) el autocontrol. Los escáneres láser se están desarrollando intensamente para su uso como instrumentos de navegación para robots móviles. Para ello se deben resolver dos tareas, en principio parcialmente diferentes: la navegación del robot y la protección de las personas (y materiales o equipos) presentes para que no sean golpeados, atropellados o agarrados (Freund, Dierks y Rossman 1993). ). Los futuros robots móviles no pueden conservar la misma filosofía de seguridad de "separación espacial de robot y persona" que se aplica estrictamente a los robots industriales estacionarios de hoy. Esto significa dar una gran importancia al funcionamiento fiable del detector de presencia que se va a utilizar.

El uso de “nuevas tecnologías” está muchas veces ligado a problemas de aceptación, y se puede suponer que el uso generalizado de robots móviles que puedan moverse y agarrar, entre personas en plantas, en áreas de tránsito público, o incluso en casas o áreas recreativas , sólo serán aceptados si están equipados con detectores de presencia muy desarrollados, sofisticados y fiables. Los accidentes espectaculares deben evitarse a toda costa para no agravar un posible problema de aceptación. El nivel de gasto actual para el desarrollo de este tipo de sensores de protección laboral no se acerca a tener en cuenta esta consideración. Para ahorrar muchos costes, los detectores de presencia deben desarrollarse y probarse simultáneamente con los robots móviles y los sistemas de navegación, no después.

Con respecto a los vehículos de motor, las cuestiones de seguridad han adquirido una importancia cada vez mayor. La seguridad innovadora de los pasajeros en los automóviles incluye cinturones de seguridad de tres puntos, asientos para niños, bolsas de aire y el sistema de frenos antibloqueo verificado por pruebas de choque en serie. Estas medidas de seguridad representan una porción relativamente creciente de los costos de producción. Los sistemas de sensor de radar y bolsas de aire laterales para medir la distancia con respecto al automóvil de adelante son desarrollos evolutivos en la protección de los pasajeros.

La seguridad externa de los vehículos de motor, es decir, la protección de terceros, está recibiendo una mayor atención. Recientemente, se ha requerido protección lateral, principalmente para camiones, para evitar que los motociclistas, ciclistas y peatones corran el peligro de caer debajo de las ruedas traseras. El siguiente paso lógico sería monitorear el área detrás de vehículos grandes con detectores de presencia e instalar equipos de advertencia en la parte trasera. Esto tendría el efecto secundario positivo de proporcionar la financiación necesaria para desarrollar, probar y poner a disposición sensores económicos de máximo rendimiento, autosupervisados, libres de mantenimiento y de funcionamiento fiable para fines de seguridad laboral. El proceso de prueba que acompañaría a la implementación amplia de sensores o sistemas de sensores facilitaría considerablemente la innovación en otras áreas, como palas mecánicas, cargadores pesados ​​y otras máquinas móviles grandes que retroceden hasta la mitad del tiempo durante su operación. El proceso evolutivo de robots estacionarios a robots móviles es un camino adicional de desarrollo para los detectores de presencia. Por ejemplo, se podrían realizar mejoras en los sensores que se utilizan actualmente en los transportadores de materiales de robots móviles o "tractores de piso de fábrica sin conductor", que siguen caminos fijos y, por lo tanto, tienen requisitos de seguridad relativamente bajos. El uso de detectores de presencia es el siguiente paso lógico en la mejora de la seguridad en el ámbito del transporte de materiales y viajeros.

Procedimientos de detección

Varios principios físicos, disponibles en relación con la medición electrónica y los métodos de autocontrol y, hasta cierto punto, los procedimientos informáticos de alto rendimiento, pueden utilizarse para evaluar y resolver las tareas mencionadas anteriormente. La operación segura y aparentemente sin esfuerzo de las máquinas automatizadas (robots) tan común en las películas de ciencia ficción, posiblemente se logrará en el mundo real mediante el uso de técnicas de imagen y algoritmos de reconocimiento de patrones de alto rendimiento en combinación con métodos de medición de distancia análogos a los empleados por los escáneres láser. Hay que reconocer la paradójica situación de que todo lo que parece sencillo para las personas es difícil para los autómatas. Por ejemplo, una tarea difícil como jugar al ajedrez de manera excelente (que requiere actividad del cerebro anterior) puede simularse y llevarse a cabo más fácilmente mediante máquinas automatizadas que una tarea simple como caminar erguido o llevar a cabo la coordinación mano-ojo y otros movimientos (mediados por cerebro medio y posterior). A continuación se describen algunos de estos principios, métodos y procedimientos aplicables a las aplicaciones de sensores. Además de estos, existe una gran cantidad de procedimientos especiales para tareas muy especiales que funcionan en parte con una combinación de varios tipos de efectos físicos.

Barreras y cortinas de barrera de luz. Entre los primeros detectores de presencia se encuentran las cortinas y barras de barrera de luz. Tienen una geometría de monitoreo plana; es decir, ya no se detectará a quien haya pasado la barrera. La mano de un operador, o la presencia de herramientas o piezas en la mano de un operador, por ejemplo, se pueden detectar de forma rápida y fiable con estos dispositivos. Ofrecen una importante contribución a la seguridad laboral de máquinas (como prensas y punzonadoras) que requieren que el material se introduzca a mano. La confiabilidad tiene que ser extremadamente alta estadísticamente, porque cuando la manecilla alcanza solo dos o tres veces por minuto, se realizan alrededor de un millón de operaciones en solo unos pocos años. El autocontrol mutuo de los componentes emisor y receptor se ha desarrollado a un nivel técnico tan alto que representa un estándar para todos los demás procedimientos de detección de presencia.

Esteras de contacto (esteras de interruptores). Existen tapetes y pisos de contacto tanto eléctricos como neumáticos, tanto pasivos como activos (bomba), que inicialmente se usaron en gran número en funciones de servicio (abridores de puertas), hasta que fueron reemplazados por detectores de movimiento. Un mayor desarrollo evoluciona con el uso de detectores de presencia en todo tipo de zonas de peligro. Por ejemplo, el desarrollo de la fabricación automatizada con un cambio en la función del trabajador, de operar la máquina a monitorear estrictamente su función, produjo una demanda correspondiente de detectores apropiados. La estandarización de este uso está muy avanzada (DIN 1995a), y las limitaciones especiales (diseño, tamaño, zonas "muertas" máximas permitidas) requirieron el desarrollo de experiencia para la instalación en esta área de uso.

Surgen posibles usos interesantes de las esteras de contacto junto con sistemas de robots múltiples controlados por computadora. Un operador cambia uno o dos elementos para que el detector de presencia recoja su posición exacta e informe a la computadora, que administra los sistemas de control del robot con un sistema integrado para evitar colisiones. En una prueba avanzada por el instituto federal alemán de seguridad (BAU), se construyó un piso de tapete de contacto, que consiste en pequeños tapetes de interruptores eléctricos, debajo del área de trabajo del brazo robótico para este propósito (Freund, Dierks y Rossman 1993). Este detector de presencia tenía la forma de un tablero de ajedrez. El campo de tapete activado respectivamente le indicó a la computadora la posición del operador (figura 1) y cuando el operador se acercó demasiado al robot, se alejó. Sin el detector de presencia, el sistema de robot no podría determinar la posición del operador y, por lo tanto, el operador no podría estar protegido.

Figura 1. Una persona (derecha) y dos robots en cuerpos envolventes computarizados

Reflectores (sensores de movimiento y detectores de presencia). Por meritorios que puedan ser los sensores discutidos hasta ahora, no son detectores de presencia en el sentido más amplio. Su idoneidad, principalmente por razones de seguridad laboral, para vehículos grandes y equipos móviles grandes presupone dos características importantes: (1) la capacidad de monitorear un área desde una posición y (2) funcionamiento sin errores sin necesidad de medidas adicionales en la parte de, por ejemplo, el uso de dispositivos reflectores. Detectar la presencia de una persona que entra en la zona vigilada y permanece parada hasta que esta persona se ha marchado implica también la necesidad de detectar una persona que permanece absolutamente inmóvil. Esto distingue a los llamados sensores de movimiento de los detectores de presencia, al menos en conexión con equipos móviles; Los sensores de movimiento casi siempre se activan cuando el vehículo se pone en movimiento.

Sensores de movimiento. Los dos tipos básicos de sensores de movimiento son: (1) "sensores infrarrojos pasivos" (PIRS), que reaccionan al cambio más pequeño en el haz infrarrojo en el área monitoreada (el haz detectable más pequeño es de aproximadamente 10^-9 W con un rango de longitud de onda de aproximadamente 7 a 20 μm); y (2) sensores de ultrasonido y microondas que utilizan el principio Doppler, que determina las características del movimiento de un objeto de acuerdo con los cambios de frecuencia. Por ejemplo, el efecto Doppler aumenta la frecuencia de la bocina de una locomotora para un observador cuando se acerca y reduce la frecuencia cuando la locomotora se aleja. El efecto Doppler hace posible la construcción de sensores de aproximación relativamente simples, ya que el receptor solo necesita monitorear la frecuencia de la señal de las bandas de frecuencia vecinas para detectar la aparición de la frecuencia Doppler.

A mediados de la década de 1970, el uso de detectores de movimiento se generalizó en aplicaciones de funciones de servicio, como abridores de puertas, seguridad antirrobo y protección de objetos. Para uso estacionario, la detección de una persona que se acercaba a un punto de peligro era adecuada para dar una advertencia oportuna o para apagar una máquina. Esta fue la base para estudiar la idoneidad de los detectores de movimiento para su uso en seguridad laboral, especialmente mediante PIRS (Mester et al. 1980). Debido a que una persona vestida generalmente tiene una temperatura más alta que el área circundante (cabeza 34 °C, manos 31 °C), detectar a una persona que se aproxima es algo más fácil que detectar objetos inanimados. Hasta cierto punto, las piezas de la máquina pueden moverse en el área monitoreada sin activar el detector.

El método pasivo (sin transmisor) tiene ventajas y desventajas. La ventaja es que un PIRS no aumenta los problemas de ruido y smog eléctrico. Para la seguridad contra robos y la protección de objetos, es particularmente importante que el detector no sea fácil de encontrar. Sin embargo, un sensor que es puramente un receptor difícilmente puede controlar su propia eficacia, que es esencial para la seguridad laboral. Un método para superar este inconveniente fue probar pequeños emisores de infrarrojos modulados (5 a 20 Hz) que se instalaron en el área monitoreada y que no activaron el sensor, pero cuyos haces se registraron con una amplificación electrónica fija ajustada a la frecuencia de modulación. Esta modificación lo convirtió de un sensor “pasivo” a un sensor “activo”. De esta forma también fue posible verificar la precisión geométrica del área monitoreada. Los espejos pueden tener puntos ciegos, y la actividad brusca de una planta puede desviar la dirección de un sensor pasivo. La Figura 2 muestra un diseño de prueba con un PIRS con una geometría monitoreada en forma de manto piramidal. Debido a su gran alcance, los sensores infrarrojos pasivos se instalan, por ejemplo, en los pasillos de las áreas de almacenamiento en estanterías.

Figura 2. Sensor de infrarrojos pasivo como detector de aproximación en una zona de peligro

En general, las pruebas mostraron que los detectores de movimiento no son adecuados para la seguridad laboral. El suelo de un museo nocturno no se puede comparar con las zonas de peligro en un lugar de trabajo.

Detectores de ultrasonidos, radares y de impulsos de luz. Los sensores que utilizan el principio de pulso/eco, es decir, mediciones de tiempo transcurrido de impulsos de ultrasonido, radar o luz, tienen un gran potencial como detectores de presencia. Con los escáneres láser, los impulsos de luz pueden barrer en rápida sucesión (generalmente de forma rotatoria), por ejemplo, horizontalmente, y con la ayuda de una computadora se puede obtener un perfil de distancia de los objetos en un plano que reflejan la luz. Si, por ejemplo, no solo se desea una sola línea, sino la totalidad de lo que se encuentra ante el robot móvil en el área hasta una altura de 2 metros, entonces se deben procesar grandes cantidades de datos para representar el área circundante. Un futuro detector de presencia “ideal” consistirá en una combinación de los dos procesos siguientes:

1. Se empleará un proceso de reconocimiento de patrones, que consiste en una cámara y una computadora. Este último también puede ser una “red neuronal”.
2. Se requiere además un proceso de escaneo láser para medir distancias; esto toma un rumbo en un espacio tridimensional a partir de una serie de puntos individuales seleccionados por el proceso de reconocimiento de patrones, establecido para obtener la distancia y el movimiento por velocidad y dirección.

La Figura 3 muestra, del proyecto BAU citado anteriormente (Freund, Dierks y Rossman 1993), el uso de un escáner láser en un robot móvil que también asume tareas de navegación (a través de un haz de detección de dirección) y protección contra colisiones para objetos en el entorno inmediato. vecindad (a través de un haz de medición terrestre para la detección de presencia). Dadas estas características, el robot móvil tiene la capacidad de conducción libre automatizada activa (es decir, la capacidad de conducir alrededor de obstáculos). Técnicamente, esto se logra utilizando el ángulo de 45° de rotación del escáner hacia atrás en ambos lados (hacia babor y estribor del robot) además del ángulo de 180° hacia el frente. Estos rayos están conectados con un espejo especial que actúa como una cortina de luz en el suelo frente al robot móvil (proporcionando una línea de visión desde el suelo). Si de ahí sale un reflejo láser, el robot se detiene. Mientras que los escáneres láser y de luz certificados para su uso en seguridad laboral están en el mercado, estos detectores de presencia tienen un gran potencial para un mayor desarrollo.

Figura 3. Robot móvil con escáner láser para uso de navegación y detección de presencia

Los sensores de ultrasonido y radar, que utilizan el tiempo transcurrido desde la señal hasta la respuesta para determinar la distancia, son menos exigentes desde el punto de vista técnico y, por lo tanto, se pueden producir de forma más económica. El área del sensor tiene forma de maza y tiene una o más mazas laterales más pequeñas, que están dispuestas simétricamente. La velocidad de propagación de la señal (sonido: 330 m/s; onda electromagnética: 300,000 km/s) determina la velocidad requerida de la electrónica utilizada.

Dispositivos de advertencia en la parte trasera. En la Exposición de Hannover de 1985, BAU mostró los resultados de un proyecto inicial sobre el uso de sensores de ultrasonido para asegurar el área detrás de vehículos grandes (Langer y Kurfürst 1985). Se instaló un modelo de tamaño completo de un cabezal sensor hecho con sensores Polaroid™ en la pared trasera de un camión de suministro. La figura 4 muestra esquemáticamente su funcionamiento. El gran diámetro de este sensor produce áreas de medición en forma de maza de ángulo relativamente pequeño (aproximadamente 18°), de largo alcance, dispuestas una al lado de la otra y configuradas en diferentes rangos máximos de señal. En la práctica, permite establecer cualquier geometría monitoreada deseada, que es escaneada por los sensores aproximadamente cuatro veces por segundo para detectar la presencia o entrada de personas. Otros sistemas de advertencia de área trasera demostrados tenían varios sensores dispuestos en paralelo individuales.

Figura 4. Disposición del cabezal de medición y área monitoreada en la parte trasera de un camión

Esta vívida demostración fue un gran éxito en la exposición. Mostró que la protección del área trasera de vehículos y equipos grandes está siendo estudiada en muchos lugares, por ejemplo, por comités especializados de las asociaciones comerciales industriales. (Berufsgenossenschaften), las aseguradoras de accidentes municipales (que son responsables de los vehículos municipales), los funcionarios de supervisión de la industria estatal y los productores de sensores, que habían estado pensando más en términos de automóviles como vehículos de servicio (en el sentido de centrarse en los sistemas de estacionamiento para proteger contra daños en la carrocería). De manera espontánea, se formó un comité ad hoc formado por los grupos para promover los dispositivos de advertencia en la parte trasera, que tuvo como primera tarea la elaboración de una lista de requisitos desde la perspectiva de la seguridad laboral. Han pasado diez años durante los cuales se ha trabajado mucho en la vigilancia de la zona trasera, posiblemente la tarea más importante de los detectores de presencia; pero aún falta el gran avance.

Se han realizado muchos proyectos con sensores de ultrasonido, por ejemplo, en grúas clasificadoras de madera en rollo, palas hidráulicas, vehículos municipales especiales y otros vehículos utilitarios, así como en carretillas elevadoras y cargadoras (Schreiber 1990). Los dispositivos de advertencia en el área trasera son especialmente importantes para maquinaria grande que da marcha atrás la mayor parte del tiempo. Los detectores de presencia por ultrasonidos se utilizan, por ejemplo, para la protección de vehículos especializados sin conductor, como las máquinas robotizadas de manipulación de materiales. En comparación con los topes de goma, estos sensores tienen un área de detección mayor que permite frenar antes de que se haga contacto entre la máquina y un objeto. Los sensores correspondientes para automóviles son desarrollos apropiados e implican requisitos considerablemente menos estrictos.

Mientras tanto, el Comité de Normas Técnicas del Sistema de Transporte de DIN elaboró ​​la norma 75031, "Dispositivos de detección de obstáculos durante la marcha atrás" (DIN 1995b). Los requisitos y las pruebas se establecieron para dos rangos: 1.8 m para camiones de suministro y 3.0 m (un área de advertencia adicional) para camiones más grandes. El área monitoreada se establece a través del reconocimiento de cuerpos de prueba cilíndricos. El rango de 3 m también es el límite de lo que actualmente es técnicamente posible, ya que los sensores de ultrasonido deben tener membranas metálicas cerradas, dadas sus duras condiciones de trabajo. Se están estableciendo los requisitos para el autocontrol del sistema de sensores, ya que la geometría monitoreada requerida solo se puede lograr con un sistema de tres o más sensores. La Figura 5 muestra un dispositivo de advertencia para el área trasera que consta de tres sensores de ultrasonido (Microsonic GmbH 1996). Lo mismo se aplica al dispositivo de notificación en la cabina del conductor y al tipo de señal de advertencia. El contenido de la norma DIN 75031 también se establece en el informe técnico internacional ISO TR 12155, "Vehículos comerciales: dispositivo de detección de obstáculos durante la marcha atrás" (ISO 1994). Varios productores de sensores han desarrollado prototipos de acuerdo con este estándar.

Figura 5. Camión mediano equipado con un dispositivo de advertencia en la parte trasera (foto de Microsonic).

Conclusión

Desde principios de la década de 1970, varias instituciones y fabricantes de sensores han trabajado para desarrollar y establecer "detectores de presencia". En la aplicación especial de "dispositivos de advertencia de la zona trasera" existen la norma DIN 75031 y el informe ISO TR 12155. En la actualidad, Deutsche Post AG está realizando una prueba importante. Varios fabricantes de sensores han equipado cada uno cinco camiones medianos con tales dispositivos. Un resultado positivo de esta prueba redunda en gran medida en interés de la seguridad laboral. Como se destacó al principio, los detectores de presencia en el número requerido son un gran desafío para la tecnología de seguridad en las muchas áreas de aplicación mencionadas. Por lo tanto, deben ser realizables a bajo costo si se quiere relegar al pasado los daños a equipos, maquinarias y materiales y, sobre todo, las lesiones a las personas, a menudo muy graves.

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