Desenvolvimentos gerais em microeletrônica e na tecnologia de sensores dão motivos para esperar que uma melhoria na segurança ocupacional possa ser alcançada através da disponibilidade de detectores de presença e aproximação confiáveis, resistentes, de baixa manutenção e baratos. Este artigo descreve a tecnologia de sensores, os diferentes procedimentos de detecção, as condições e restrições aplicáveis ​​ao uso de sistemas de sensores e alguns estudos concluídos e trabalhos de padronização na Alemanha.

Critérios do Detector de Presença

O desenvolvimento e teste prático de detectores de presença é um dos maiores desafios futuros para os esforços técnicos na melhoria da segurança ocupacional e para a proteção do pessoal em geral. Detectores de presença são sensores que sinalizam de forma confiável e segura o presença próxima ou aproximação de uma pessoa. Além disso, este aviso deve ocorrer rapidamente para que uma ação evasiva, frenagem ou desligamento de uma máquina estacionária possa ocorrer antes que ocorra o contato previsto. Se as pessoas são grandes ou pequenas, qualquer que seja sua postura ou como estão vestidas, não deve afetar a confiabilidade do sensor. Além disso, o sensor deve ter certeza de funcionamento e ser robusto e barato, para que possa ser utilizado nas condições mais exigentes, como em canteiros de obras e aplicações móveis, com o mínimo de manutenção. Os sensores devem ser como um airbag, pois não precisam de manutenção e estão sempre prontos. Dada a relutância de alguns usuários em manter o que consideram equipamento não essencial, os sensores podem ficar sem manutenção por anos. Outra característica dos detetores de presença, muito mais prováveis ​​de serem solicitados, é que também detetam obstáculos que não sejam seres humanos e alertam o operador a tempo de efetuar uma ação defensiva, reduzindo assim os custos de reparação e danos materiais. Esta é uma razão para instalar detectores de presença que não devem ser subestimados.

Aplicações do Detector

Inúmeros acidentes fatais e lesões graves que parecem atos individuais e inevitáveis ​​do destino podem ser evitados ou minimizados desde que os detectores de presença se tornem mais aceitos como medida preventiva no campo da segurança ocupacional. Os jornais relatam esses acidentes com muita frequência: aqui uma pessoa foi atropelada por uma carregadeira que se movia para trás, ali o operador não viu alguém que foi atropelado pela roda dianteira de uma escavadeira elétrica. Caminhões que andam para trás nas ruas, instalações da empresa e canteiros de obras são a causa de muitos acidentes com as pessoas. As empresas totalmente racionalizadas de hoje não fornecem mais co-pilotos ou outras pessoas para atuar como guias para o motorista que está dando ré em um caminhão. Esses exemplos de acidentes em movimento podem ser facilmente estendidos a outros equipamentos móveis, como empilhadeiras. No entanto, o uso de sensores é urgentemente necessário para evitar acidentes envolvendo equipamentos semi-móveis e puramente estacionários. Um exemplo são as áreas traseiras de grandes máquinas de carga, que foram identificadas pelo pessoal de segurança como áreas potencialmente perigosas que podem ser melhoradas com o uso de sensores baratos. Muitas variações de detectores de presença podem ser adaptadas de forma inovadora a outros veículos e grandes equipamentos móveis para proteção contra os tipos de acidentes discutidos neste artigo, que geralmente causam danos extensos e ferimentos graves, se não fatais.

A tendência de disseminação de soluções inovadoras parece prometer que os detectores de presença se tornarão a tecnologia de segurança padrão em outras aplicações; no entanto, este não é o caso em qualquer lugar. O avanço, motivado por acidentes e altos danos materiais, é esperado no monitoramento atrás de vans de entrega e caminhões pesados ​​e nas áreas mais inovadoras das “novas tecnologias” – as máquinas robóticas móveis do futuro.

A variação dos campos de aplicação dos detectores de presença e a variabilidade das tarefas – por exemplo, tolerar objetos (mesmo objetos em movimento, sob certas condições) que pertencem a um campo de detecção e que não devem disparar um sinal – exigem sensores nos quais “ tecnologia de avaliação inteligente” suporta os mecanismos de função do sensor. Esta tecnologia, que é um assunto para desenvolvimento futuro, pode ser elaborada a partir de métodos baseados no campo da inteligência artificial (Schreiber e Kuhn 1995). Até o momento, uma universalidade limitada restringiu severamente os usos atuais de sensores. Existem cortinas de luz; barras de luz; tapetes de contato; sensores infravermelhos passivos; detectores de movimento por ultrassom e radar que utilizam o efeito Doppler; sensores que fazem medições de tempo decorrido de ultrassom, radar e impulsos luminosos; e scanners a laser. As câmeras de televisão normais conectadas a monitores não estão incluídas nesta lista porque não são detectores de presença. No entanto, estão incluídas as câmeras que são ativadas automaticamente ao detectar a presença de uma pessoa.

Sensor Technology

Hoje, as principais questões do sensor são (1) otimizar o uso dos efeitos físicos (infravermelho, luz, ultrassom, radar, etc.) e (2) automonitoramento. Scanners a laser estão sendo intensamente desenvolvidos para uso como instrumentos de navegação para robôs móveis. Para isso, duas tarefas, em princípio parcialmente diferentes, devem ser resolvidas: a navegação do robô e a proteção das pessoas (e materiais ou equipamentos) presentes para que não sejam atingidas, atropeladas ou agarradas (Freund, Dierks e Rossman 1993 ). Os futuros robôs móveis não podem manter a mesma filosofia de segurança de “separação espacial entre robô e pessoa” que é estritamente aplicada aos robôs industriais estacionários de hoje. Isso significa colocar um alto valor no funcionamento confiável do detector de presença a ser usado.

A utilização de “novas tecnologias” está muitas vezes ligada a problemas de aceitação, podendo assumir-se que a generalização do uso de robôs móveis que se podem deslocar e agarrar, entre pessoas em fábricas, em zonas de circulação pública, ou mesmo em habitações ou zonas recreativas , só serão aceites se estiverem equipados com detectores de presença altamente desenvolvidos, sofisticados e fiáveis. Acidentes espetaculares devem ser evitados a todo custo para não agravar um possível problema de aceitação. O atual nível de gastos para o desenvolvimento deste tipo de sensores de proteção ocupacional não chega nem perto de levar em conta esta consideração. Para economizar muitos custos, os detectores de presença devem ser desenvolvidos e testados simultaneamente com os robôs móveis e os sistemas de navegação, não depois.

No que diz respeito aos veículos a motor, as questões de segurança ganharam uma importância crescente. A segurança inovadora dos passageiros em automóveis inclui cintos de segurança de três pontos, cadeiras infantis, airbags e o sistema de freio antitravamento verificado por testes de colisão em série. Essas medidas de segurança representam uma parcela relativamente crescente dos custos de produção. Os sistemas de airbag lateral e sensor de radar para medir a distância ao carro à frente são desenvolvimentos evolutivos na proteção dos passageiros.

A segurança externa do veículo motorizado – ou seja, a proteção de terceiros – está recebendo maior atenção. Recentemente, a proteção lateral foi exigida, principalmente para caminhões, para evitar que motociclistas, ciclistas e pedestres corram o risco de cair sob as rodas traseiras. Um próximo passo lógico seria monitorar a área atrás de veículos grandes com detectores de presença e instalar equipamentos de alerta na área traseira. Isso teria o efeito colateral positivo de fornecer o financiamento necessário para desenvolver, testar e disponibilizar sensores baratos de desempenho máximo, automonitoramento, livres de manutenção e funcionamento confiável para fins de segurança ocupacional. O processo de teste que acompanharia a ampla implementação de sensores ou sistemas de sensores facilitaria consideravelmente a inovação em outras áreas, como escavadeiras elétricas, carregadeiras pesadas e outras grandes máquinas móveis que fazem backup até metade do tempo durante sua operação. O processo evolutivo de robôs estacionários para robôs móveis é um caminho adicional de desenvolvimento para detectores de presença. Por exemplo, melhorias podem ser feitas nos sensores atualmente usados ​​em movimentadores de materiais de robôs móveis ou “tratores de chão de fábrica sem motorista”, que seguem caminhos fixos e, portanto, têm requisitos de segurança relativamente baixos. O uso de detectores de presença é o próximo passo lógico para melhorar a segurança na área de transporte de materiais e passageiros.

Procedimentos de Detecção

Vários princípios físicos, disponíveis em conexão com métodos eletrônicos de medição e automonitoramento e, até certo ponto, procedimentos de computação de alto desempenho, podem ser usados ​​para avaliar e resolver as tarefas mencionadas acima. A operação aparentemente sem esforço e segura de máquinas automatizadas (robôs), tão comuns em filmes de ficção científica, possivelmente será realizada no mundo real por meio do uso de técnicas de imagem e algoritmos de reconhecimento de padrões de alto desempenho em combinação com métodos de medição de distância análogos aos empregados por scanners a laser. Deve-se reconhecer a situação paradoxal de que tudo o que parece simples para as pessoas é difícil para os autômatos. Por exemplo, uma tarefa difícil, como um excelente jogo de xadrez (que exige atividade do prosencéfalo), pode ser mais facilmente simulada e executada por máquinas automatizadas do que uma tarefa simples, como andar ereto ou realizar coordenação olho-mão e outros movimentos (mediados por o mesencéfalo e o rombencéfalo). Alguns desses princípios, métodos e procedimentos aplicáveis ​​a aplicações de sensores são descritos abaixo. Além destes, existe um grande número de procedimentos especiais para tarefas muito especiais que funcionam em parte com uma combinação de vários tipos de efeitos físicos.

Cortinas e barras de barreira de luz. Entre os primeiros detectores de presença estavam cortinas e barras de barreira de luz. Eles têm uma geometria de monitoramento plana; ou seja, aquele que ultrapassou a barreira não será mais detectado. A mão de um operador, ou a presença de ferramentas ou peças na mão de um operador, por exemplo, pode ser detectada de forma rápida e confiável com esses dispositivos. Oferecem uma contribuição importante para a segurança do trabalho de máquinas (como prensas e puncionadeiras) que exigem que o material seja colocado à mão. A confiabilidade tem que ser extremamente alta estatisticamente, porque quando a mão atinge apenas duas a três vezes por minuto, cerca de um milhão de operações são realizadas em apenas alguns anos. O automonitoramento mútuo dos componentes emissor e receptor foi desenvolvido em um nível técnico tão alto que representa um padrão para todos os outros procedimentos de detecção de presença.

Tapetes de contato (tapetes de comutação). Existem tipos passivos e ativos (bomba) de tapetes e pisos de contato elétricos e pneumáticos, que foram inicialmente usados ​​em grande número em funções de serviço (abertura de portas), até serem substituídos por detectores de movimento. O desenvolvimento posterior evolui com o uso de detectores de presença em todos os tipos de zonas de perigo. Por exemplo, o desenvolvimento da manufatura automatizada com uma mudança na função do trabalhador – de operar a máquina para monitorar estritamente sua função – produziu uma demanda correspondente por detectores apropriados. A padronização deste uso está bem avançada (DIN 1995a), e limitações especiais (layout, tamanho, máximo permitido de zonas “mortas”) exigiram o desenvolvimento de expertise para instalação nesta área de uso.

Possíveis usos interessantes de tapetes de contato surgem em conjunto com múltiplos sistemas de robôs controlados por computador. Um operador troca um ou dois elementos para que o detector de presença detecte sua posição exata e informe o computador, que gerencia os sistemas de controle do robô com um sistema interno de prevenção de colisões. Em um teste avançado pelo Instituto Federal de Segurança Alemão (BAU), um piso de tapete de contato, consistindo de pequenos tapetes de interruptores elétricos, foi construído sob a área de trabalho do braço do robô para esse propósito (Freund, Dierks e Rossman 1993). Este detector de presença tinha a forma de um tabuleiro de xadrez. O campo de esteira ativado respectivamente informava ao computador a posição do operador (figura 1) e quando o operador se aproximava muito do robô, ele se afastava. Sem o detector de presença, o sistema do robô não seria capaz de determinar a posição do operador, e o operador não poderia ser protegido.

Figura 1. Uma pessoa (à direita) e dois robôs em corpos de embalagem computados

Refletores (sensores de movimento e detectores de presença). Por mais meritórios que sejam os sensores discutidos até agora, eles não são detectores de presença no sentido mais amplo. Sua adequação - principalmente por razões de segurança no trabalho - para veículos de grande porte e grandes equipamentos móveis pressupõe duas características importantes: (1) a capacidade de monitorar uma área de uma posição e (2) funcionamento sem erros sem a necessidade de medidas adicionais em a parte de, por exemplo, o uso de dispositivos refletores. Detectar a presença de uma pessoa entrando na área monitorada e permanecendo parada até que ela saia também implica a necessidade de detectar uma pessoa que esteja absolutamente imóvel. Isso distingue os chamados sensores de movimento dos detectores de presença, pelo menos em conexão com equipamentos móveis; os sensores de movimento quase sempre são acionados quando o veículo é colocado em movimento.

Sensores de movimento. Os dois tipos básicos de sensores de movimento são: (1) “sensores infravermelhos passivos” (PIRS), que reagem à menor alteração no feixe infravermelho na área monitorada (o menor feixe detectável é de aproximadamente 10^-9 W com uma faixa de comprimento de onda de aproximadamente 7 a 20 μm); e (2) sensores de ultrassom e micro-ondas usando o princípio Doppler, que determina as características do movimento de um objeto de acordo com as mudanças de frequência. Por exemplo, o efeito Doppler aumenta a frequência da buzina de uma locomotiva para um observador quando ela se aproxima e reduz a frequência quando a locomotiva está se afastando. O efeito Doppler possibilita a construção de sensores de aproximação relativamente simples, pois o receptor precisa apenas monitorar a frequência do sinal das bandas de frequência vizinhas para o aparecimento da frequência Doppler.

Em meados da década de 1970, o uso de detectores de movimento tornou-se predominante em aplicações de funções de serviço, como abridores de portas, segurança contra roubo e proteção de objetos. Para uso estacionário, a detecção de uma pessoa se aproximando de um ponto de perigo era adequada para dar um aviso oportuno ou desligar uma máquina. Esta foi a base para estudar a adequação de detectores de movimento para seu uso em segurança ocupacional, especialmente por meio de PIRS (Mester et al. 1980). Como uma pessoa vestida geralmente tem uma temperatura mais alta do que a área circundante (cabeça 34°C, mãos 31°C), detectar uma pessoa que se aproxima é um pouco mais fácil do que detectar objetos inanimados. Até certo ponto, as peças da máquina podem se mover na área monitorada sem acionar o detector.

O método passivo (sem transmissor) tem vantagens e desvantagens. A vantagem é que um PIRS não aumenta os problemas de ruído e poluição elétrica. Para segurança contra roubo e proteção de objetos, é particularmente importante que o detector não seja fácil de encontrar. Um sensor que é apenas um receptor, no entanto, dificilmente pode monitorar sua própria eficácia, o que é essencial para a segurança do trabalho. Um método para contornar essa desvantagem foi testar pequenos emissores de infravermelho modulados (5 a 20 Hz) que foram instalados na área monitorada e que não acionaram o sensor, mas cujos feixes foram registrados com uma amplificação eletrônica fixa ajustada à frequência de modulação. Essa modificação o transformou de um sensor “passivo” em um sensor “ativo”. Desta forma também foi possível verificar a precisão geométrica da área monitorada. Os espelhos podem ter pontos cegos e a direção de um sensor passivo pode ser desviada pela atividade áspera em uma planta. A Figura 2 mostra um layout de teste com um PIRS com uma geometria monitorada na forma de um manto piramidal. Devido ao seu grande alcance, os sensores infravermelhos passivos são instalados, por exemplo, nas passagens das áreas de armazenamento de prateleiras.

Figura 2. Sensor infravermelho passivo como detector de aproximação em uma área de perigo

No geral, os testes mostraram que os detectores de movimento não são adequados para a segurança ocupacional. O andar noturno de um museu não pode ser comparado a zonas de perigo em um local de trabalho.

Detectores de ultra-som, radar e impulso de luz. Sensores que usam o princípio de pulso/eco – ou seja, medições de tempo decorrido de ultrassom, radar ou impulsos de luz – têm grande potencial como detectores de presença. Com scanners a laser, os impulsos de luz podem varrer em rápida sucessão (geralmente de forma rotatória), por exemplo, horizontalmente, e com a ajuda de um computador pode-se obter um perfil de distância dos objetos em um plano que refletem a luz. Se, por exemplo, não apenas uma única linha for desejada, mas a totalidade do que está diante do robô móvel na área até uma altura de 2 metros, grandes quantidades de dados devem ser processadas para representar a área circundante. Um futuro detector de presença “ideal” consistirá em uma combinação dos dois processos a seguir:

1. Será empregado um processo de reconhecimento de padrões, composto por uma câmera e um computador. Este último também pode ser uma “rede neuronal”.
2. Um processo de varredura a laser é ainda necessário para medir distâncias; isso assume uma posição em um espaço tridimensional a partir de um número de pontos individuais selecionados pelo processo de reconhecimento de padrão, estabelecido para obter a distância e o movimento por velocidade e direção.

A Figura 3 mostra, do projeto BAU citado anteriormente (Freund, Dierks e Rossman 1993), o uso de um scanner a laser em um robô móvel que também assume tarefas de navegação (através de um feixe de detecção de direção) e proteção contra colisão para objetos na vizinhança imediata. vizinhança (através de um feixe de medição de solo para detecção de presença). Dadas essas características, o robô móvel tem a capacidade de condução gratuita automatizada ativa (ou seja, a capacidade de contornar obstáculos). Tecnicamente, isso é obtido utilizando o ângulo de 45° da rotação do scanner para trás em ambos os lados (para bombordo e estibordo do robô), além do ângulo de 180° para a frente. Esses feixes são conectados a um espelho especial que atua como uma cortina de luz no chão em frente ao robô móvel (fornecendo uma linha de visão terrestre). Se um reflexo de laser vier daí, o robô para. Embora existam no mercado scanners a laser e de luz certificados para uso em segurança ocupacional, esses detectores de presença têm grande potencial para desenvolvimento adicional.

Figura 3. Robô móvel com scanner a laser para uso em navegação e detecção de presença

Sensores de ultrassom e radar, que usam o tempo decorrido do sinal à resposta para determinar a distância, são menos exigentes do ponto de vista técnico e, portanto, podem ser produzidos de forma mais barata. A área do sensor é em forma de taco e possui um ou mais tacos laterais menores, dispostos simetricamente. A velocidade de propagação do sinal (som: 330 m/s; onda eletromagnética: 300,000 km/s) determina a velocidade necessária da eletrônica utilizada.

Dispositivos de advertência de área traseira. Na Exposição de Hanover de 1985, a BAU mostrou os resultados de um projeto inicial sobre o uso de sensores de ultrassom para proteger a área atrás de veículos grandes (Langer e Kurfürst 1985). Um modelo em tamanho real de uma cabeça sensora feita de sensores Polaroid™ foi instalado na parede traseira de um caminhão de abastecimento. A Figura 4 mostra esquematicamente o seu funcionamento. O grande diâmetro deste sensor produz áreas de medição de ângulo relativamente pequeno (aproximadamente 18°), em forma de clava de longo alcance, dispostas próximas umas das outras e definidas para diferentes faixas de sinal máximo. Na prática permite definir qualquer geometria monitorada desejada, que é escaneada pelos sensores aproximadamente quatro vezes por segundo para a presença ou entrada de pessoas. Outros sistemas de alerta de área traseira demonstrados tinham vários sensores individuais paralelos.

Figura 4. Disposição da cabeça de medição e área monitorada na traseira de um caminhão

Esta demonstração vívida foi um grande sucesso na exposição. Ele mostrou que proteger a área traseira de grandes veículos e equipamentos está sendo estudado em muitos lugares - por exemplo, por comitês especializados das associações comerciais industriais (Berufsgenossenschaften), as seguradoras municipais de acidentes (responsáveis ​​pelos veículos municipais), os fiscais estaduais da indústria e os produtores de sensores, que vinham pensando mais em automóveis como veículos de serviço (no sentido de focar em sistemas de estacionamento para proteção contra danos corporais auto). Um comitê ad hoc formado pelos grupos para promover os dispositivos de alerta de retaguarda foi formado espontaneamente e teve como primeira tarefa a elaboração de uma lista de requisitos sob a perspectiva da segurança do trabalho. Dez anos se passaram durante os quais muito se trabalhou no monitoramento da retaguarda - possivelmente a tarefa mais importante dos detectores de presença; mas o grande avanço ainda está faltando.

Muitos projetos foram conduzidos com sensores de ultrassom - por exemplo, em guindastes de triagem de toras, pás hidráulicas, veículos municipais especiais e outros veículos utilitários, bem como em empilhadeiras e carregadeiras (Schreiber 1990). Os dispositivos de alerta na área traseira são especialmente importantes para grandes máquinas que dão ré na maior parte do tempo. Os detectores de presença de ultrassom são usados, por exemplo, para a proteção de veículos autônomos especializados, como máquinas robóticas de manuseio de materiais. Em comparação com os pára-choques de borracha, esses sensores têm uma área de detecção maior que permite a frenagem antes do contato entre a máquina e um objeto. Sensores correspondentes para automóveis são desenvolvimentos apropriados e envolvem requisitos consideravelmente menos rigorosos.

Nesse ínterim, o Comitê de Normas Técnicas do Sistema de Transporte da DIN elaborou a Norma 75031, “Dispositivos de detecção de obstáculos durante a marcha à ré” (DIN 1995b). Os requisitos e testes foram definidos para duas faixas: 1.8 m para caminhões de abastecimento e 3.0 m – uma área de alerta adicional – para caminhões maiores. A área monitorada é definida através do reconhecimento de corpos de prova cilíndricos. O alcance de 3 m também está no limite do que é tecnicamente possível atualmente, pois os sensores de ultrassom devem ter membranas metálicas fechadas, dadas as condições de trabalho difíceis. Os requisitos para o automonitoramento do sistema de sensores estão sendo definidos, pois a geometria monitorada necessária pode ser realizada apenas com um sistema de três ou mais sensores. A Figura 5 mostra um dispositivo de alerta de área traseira que consiste em três sensores de ultrassom (Microsonic GmbH 1996). O mesmo se aplica ao dispositivo de notificação na cabina do condutor e ao tipo de sinal de aviso. O conteúdo da norma DIN 75031 também é apresentado no relatório técnico internacional ISO TR 12155, “Veículos comerciais—Dispositivo de detecção de obstáculos durante a marcha atrás” (ISO 1994). Vários fabricantes de sensores desenvolveram protótipos de acordo com este padrão.

Figura 5. Caminhão de médio porte equipado com dispositivo de alerta de área traseira (foto Microsonic).

Conclusão

Desde o início dos anos 1970, várias instituições e fabricantes de sensores trabalharam para desenvolver e estabelecer “detectores de presença”. Na aplicação especial de “dispositivos de alerta de área traseira” existem o padrão DIN 75031 e o relatório ISO TR 12155. No momento, a Deutsche Post AG está realizando um grande teste. Vários fabricantes de sensores equiparam cada um cinco caminhões de médio porte com tais dispositivos. Um resultado positivo deste teste é muito do interesse da segurança ocupacional. Como foi enfatizado no início, os detectores de presença nos números necessários são um grande desafio para a tecnologia de segurança nas diversas áreas de aplicação mencionadas. Eles devem, portanto, ser realizáveis ​​a baixo custo, se os danos a equipamentos, máquinas e materiais e, acima de tudo, lesões em pessoas, muitas vezes muito graves, forem relegados ao passado.

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