微電子學和傳感器技術的普遍發展使人們有理由希望，通過可靠、耐用、低維護和廉價的存在和接近探測器的可用性，可以實現職業安全的改善。 本文將介紹傳感器技術、不同的檢測程序、適用於傳感器系統使用的條件和限制，以及在德國完成的一些研究和標準化工作。
存在探測器標準
存在檢測器的開發和實際測試是未來提高職業安全和保護一般人員的技術努力的最大挑戰之一。 存在檢測器 是可靠和確定地發出信號的傳感器 接近一個人的存在或方法。 此外，該警告必須迅速發生，以便在預測的接觸發生之前可以採取規避行動、制動或關閉固定機器。 人是大還是小，無論他們的姿勢如何，或者他們穿著如何，都不會對傳感器的可靠性產生影響。 此外，傳感器必須具備可靠的功能、堅固且價格低廉，以便可以在最苛刻的條件下使用，例如建築工地和移動應用，並且只需最少的維護。 傳感器必須像安全氣囊一樣免維護且隨時可用。 鑑於一些用戶不願意維護他們認為不重要的設備，傳感器可能會多年無人維修。 存在檢測器的另一個更可能被要求的功能是，它們還可以檢測除人類以外的障礙物，並及時提醒操作員採取防禦措施，從而降低維修成本和材料損壞。 這是安裝不應被低估的存在檢測器的原因。
探測器應用
如果存在檢測器在職業安全領域作為一種預防措施得到越來越多的接受，那麼無數死亡事故和重傷似乎是不可避免的、個人的命運行為，可以避免或減少到最低限度。 報紙經常報導這些事故：這裡有人被向後移動的裝載機撞到，那裡操作員沒有看到有人被電鏟的前輪碾過。 卡車在街道、公司場所和建築工地上倒退是許多人發生事故的原因。 今天徹底合理化的公司不再提供副駕駛或其他人作為倒車司機的嚮導。 這些移動事故的例子可以很容易地擴展到其他移動設備，例如叉車。 然而，迫切需要使用傳感器來防止涉及半移動和純固定設備的事故。 一個例子是大型裝載機的後部區域，安全人員已將其確定為潛在危險區域，可以通過使用廉價傳感器來改善這些區域。 許多存在檢測器的變體可以創新地適用於其他車輛和大型移動設備，以防止本文討論的事故類型，這些事故通常會造成廣泛的損壞和嚴重的傷害，如果不是致命的話。
創新解決方案越來越普遍的趨勢似乎預示著存在檢測器將成為其他應用中的標準安全技術； 然而，情況並非如此。 受事故和高物質損失的推動，有望在貨車和重型卡車後方監控以及“新技術”最具創新性的領域——未來的移動機器人機器方面取得突破。
存在檢測器應用領域的變化和任務的變化——例如，容忍屬於檢測領域且不應觸發信號的物體（甚至是移動物體，在某些條件下）——需要傳感器，其中“智能”評估技術支持傳感器功能機制。 這項技術是未來發展的問題，可以從人工智能領域的方法中得到闡述（Schreiber 和 Kuhn 1995）。 迄今為止，有限的通用性嚴重限制了傳感器的當前使用。 有光幕； 燈條； 接觸墊； 被動紅外傳感器； 使用多普勒效應的超聲波和雷達運動探測器； 對超聲波、雷達和光脈衝進行經過時間測量的傳感器； 和激光掃描儀。 連接到監視器的普通電視攝像機不包括在此列表中，因為它們不是存在檢測器。 但是，包括那些在檢測到人的存在時會自動啟動的相機。
傳感器技術
今天的主要傳感器問題是 (1) 優化物理效應（紅外線、光、超聲波、雷達等）的使用和 (2) 自我監控。 激光掃描儀正在集中開髮用作移動機器人的導航儀器。 為此，必須解決原則上部分不同的兩項任務：機器人的導航和對在場人員（以及材料或設備）的保護，以免他們被撞到、碾過或被抓住（Freund、Dierks 和 Rossman，1993 年） ). 未來的移動機器人無法保留嚴格應用於當今固定式工業機器人的“機器人與人的空間分離”的相同安全理念。 這意味著要高度重視所用存在檢測器的可靠功能。
“新技術”的使用通常與接受問題有關，可以假設在工廠、公共交通區域、甚至家庭或娛樂區的人群中，可以移動和抓取的移動機器人的普遍使用, 只有配備非常發達、精密和可靠的存在檢測器，才會被接受。 必須不惜一切代價避免重大事故，以避免加劇可能的驗收問題。 目前開發此類職業保護傳感器的支出水平並未考慮到這一點。 為了節省大量成本，存在檢測器應該與移動機器人和導航系統同時開發和測試，而不是事後進行。
對於機動車輛，安全問題變得越來越重要。 創新的汽車乘客安全包括三點式安全帶、兒童座椅、安全氣囊和通過系列碰撞測試驗證的防抱死制動系統。 這些安全措施占生產成本的比例相對增加。 用於測量與前方車輛距離的側面安全氣囊和雷達傳感器系統是乘客保護方面的進化發展。
外部機動車安全——即對第三方的保護——正受到越來越多的關注。 最近，主要針對卡車需要側面保護，以防止騎摩托車的人、騎自行車的人和行人免受後輪跌落的危險。 下一個合乎邏輯的步驟是使用存在檢測器監控大型車輛後面的區域並安裝後方區域警告設備。 這將產生積極的副作用，即提供開發、測試和提供最大性能、自我監控、免維護和可靠運行、用於職業安全目的的廉價傳感器所需的資金。 與傳感器或傳感器系統的廣泛實施相伴的試驗過程將大大促進其他領域的創新，例如電鏟、重型裝載機和其他大型移動機器，這些機器在運行期間有一半的時間是倒車的。 從靜止機器人到移動機器人的進化過程是存在檢測器的另一條發展路徑。 例如，可以對目前用於移動機器人物料搬運車或“無人駕駛工廠車間拖拉機”的傳感器進行改進，它們遵循固定路徑，因此安全要求相對較低。 使用存在檢測器是提高物料和客運領域安全性的下一個合乎邏輯的步驟。
檢測程序
與電子測量和自我監測方法以及在一定程度上的高性能計算程序相關的各種物理原理可用於評估和解決上述任務。 在科幻電影中如此常見的自動機器（機器人）顯然毫不費力和可靠的操作，可能會在現實世界中通過使用成像技術和高性能模式識別算法以及類似於那些的距離測量方法來實現受僱於激光掃描儀。 必須認識到對人來說似乎很簡單的一切對機器人來說都很困難的矛盾情況。 例如，與直立行走或進行手眼和其他運動協調（由中腦和後腦）。 以下描述了適用於傳感器應用的一些原則、方法和程序。 除了這些之外，還有大量用於非常特殊任務的特殊程序，這些程序在一定程度上結合了各種類型的物理效果。
光障窗簾和酒吧。 最早的存在檢測器包括光幕和光柵。 它們具有平坦的監控幾何結構； 也就是過了關卡的人就不會再被發現了。 例如，可以使用這些設備快速可靠地檢測操作員的手，或操作員手中所持工具或零件的存在。 它們為需要手動放入材料的機器（如壓力機和沖壓機）的職業安全做出了重要貢獻。 統計上的可靠性必須非常高，因為當手每分鐘僅伸手兩到三次時，短短幾年內就會執行大約一百萬次操作。 發送器和接收器組件的相互自我監控已經發展到如此高的技術水平，它代表了所有其他存在檢測程序的標準。
接觸墊（開關墊）. 電動和氣動接觸墊和地板有被動和主動（泵）類型，最初大量用於服務功能（開門器），直到它們被運動檢測器取代。 隨著在各種危險區域中使用存在檢測器，進一步的發展得到了發展。 例如，自動化製造的發展伴隨著工人功能的改變——從操作機器到嚴格監控其功能——產生了對合適檢測器的相應需求。 這種使用的標準化非常先進（DIN 1995a），特殊限制（佈局、尺寸、最大允許“死區”）需要開發在該使用領域安裝的專業知識。
接觸墊的有趣可能用途與計算機控制的多機器人系統一起出現。 操作員切換一個或兩個元件，以便存在檢測器可以拾取他或她的確切位置並通知計算機，計算機管理帶有內置防撞系統的機器人控制系統。 在德國聯邦安全研究所 (BAU) 推進的一項測試中，為此目的，在機器人手臂的工作區域下方建造了一個由小型電氣開關墊組成的接觸墊地板（Freund、Dierks 和 Rossman，1993 年）。 該存在檢測器具有棋盤的形式。 分別激活的墊子區域告訴計算機操作員的位置（圖 1），當操作員離機器人太近時，它就會離開。 如果沒有存在檢測器，機器人系統將無法確定操作員的位置，從而無法保護操作員。
圖 1. 計算包裝體中的一個人（右）和兩個機器人
反射器（運動傳感器和存在檢測器）。 無論到目前為止討論的傳感器多麼有價值，它們都不是廣義上的存在檢測器。 它們對大型車輛和大型移動設備的適用性——主要是出於職業安全的原因——以兩個重要特徵為先決條件：(1) 能夠從一個位置監控一個區域，以及 (2) 無差錯運行，無需額外措施的一部分——例如，反射裝置的使用。 檢測進入監控區域的人的存在並保持停止直到此人離開也意味著需要檢測絕對靜止不動的人。 這將所謂的運動傳感器與存在檢測器區分開來，至少與移動設備有關； 運動傳感器幾乎總是在車輛啟動時觸發。
運動傳感器。 運動傳感器的兩種基本類型是：(1)“被動紅外傳感器”(PIRS)，它對監控區域中紅外光束的最小變化做出反應（最小可檢測光束約為 10-9 W，波長范圍約為 7 至 20 μm）； (2) 超聲波和微波傳感器利用多普勒原理，根據頻率變化確定物體的運動特性。 例如，多普勒效應會在機車靠近時為觀察者增加機車喇叭的頻率，並在機車遠離時降低頻率。 多普勒效應使得構建相對簡單的接近傳感器成為可能，因為接收器只需要監測相鄰頻段的信號頻率以了解多普勒頻率的出現。
在 1970 世紀 1980 年代中期，運動檢測器的使用在諸如開門器、盜竊安全和物體保護等服務功能應用中變得普遍。 對於固定使用，檢測到有人接近危險點足以及時發出警告或關閉機器。 這是研究運動檢測器在職業安全中的適用性的基礎，尤其是通過 PIRS（Mester 等人，34 年）。 由於穿著衣服的人的體溫通常高於周圍區域（頭部 31°C，手部 XNUMX°C），因此檢測接近的人比檢測無生命的物體要容易一些。 在一定程度上，機器部件可以在不觸發檢測器的情況下在監控區域內移動。
被動方法（沒有發射器）有優點也有缺點。 優點是 PIRS 不會增加噪音和電氣煙霧問題。 對於盜竊安全和物品保護，探測器不易被發現尤為重要。 然而，純粹作為接收器的傳感器幾乎無法監測其自身的有效性，而這對於職業安全至關重要。 克服此缺點的一種方法是測試小型調製（5 至 20 赫茲）紅外發射器，這些發射器安裝在受監控區域並且不會觸發傳感器，但其光束通過設置為調製頻率的固定電子放大進行記錄。 這種修改將其從“被動”傳感器轉變為“主動”傳感器。 通過這種方式，還可以檢查監控區域的幾何精度。 鏡子可能有盲點，而被動傳感器的方向可能會因植物中的粗暴活動而偏離。 圖 2 顯示了一個帶有 PIRS 的測試佈局，該 PIRS 具有金字塔地幔形式的受監測幾何形狀。 由於其覆蓋範圍廣，被動紅外傳感器被安裝在例如貨架存儲區域的通道中。
圖 2. 被動紅外傳感器作為危險區域中的接近檢測器
總的來說，測試表明運動探測器不適合職業安全。 博物館的夜間樓層無法與工作場所的危險區域相提並論。
超聲波、雷達和光脈衝探測器。 使用脈衝/回波原理的傳感器——即超聲波、雷達或光脈衝的經過時間測量——具有作為存在檢測器的巨大潛力。 使用激光掃描儀，光脈衝可以快速連續掃描（通常以旋轉方式），例如，水平掃描，並且在計算機的幫助下，人們可以獲得反射光平面上物體的距離輪廓。 例如，如果不僅需要一條線，還需要移動機器人前面 2 米高的區域的全部內容，則必須處理大量數據以描繪周圍區域。 未來的“理想”存在檢測器將包含以下兩個過程的組合：
- 將採用模式識別過程，由相機和計算機組成。 後者也可以是“神經網絡”。
- 還需要激光掃描過程來測量距離； 這需要從模式識別過程中選擇的多個獨立點在三維空間中產生方位，這些點的建立是為了通過速度和方向獲得距離和運動。
圖 3 顯示，來自先前引用的 BAU 項目（Freund、Dierks 和 Rossman 1993），在移動機器人上使用激光掃描儀，該機器人還承擔導航任務（通過方向感應光束）和對附近物體的碰撞保護附近（通過地面測量光束進行存在檢測）。 鑑於這些特點，移動機器人有能力 主動自動自由駕駛 （即繞過障礙物的能力）。 從技術上講，除了向前旋轉 45° 角之外，還可以利用掃描儀在兩側（機器人的左舷和右舷）向後旋轉 180° 角來實現。 這些光束與一個特殊的鏡子相連，該鏡子充當移動機器人前面地板上的光幕（提供地面視線）。 如果激光反射來自那裡，機器人就會停止。 雖然市場上有經過職業安全使用認證的激光和光掃描儀，但這些存在檢測器具有進一步發展的巨大潛力。
圖 3. 帶有用於導航和存在檢測的激光掃描儀的移動機器人
超聲波和雷達傳感器使用從信號到響應所經過的時間來確定距離，從技術角度來看要求不高，因此生產成本更低。 感應區呈球桿狀，有一個或多個較小的側球桿，對稱排列。 信號傳播的速度（聲音：330 米/秒；電磁波：300,000 公里/秒）決定了所用電子設備的必要速度。
後方警告裝置。 在 1985 年的漢諾威博覽會上，BAU 展示了使用超聲波傳感器確保大型車輛後方區域安全的初始項目的結果（Langer 和 Kurfürst 1985）。 由 Polaroid™ 傳感器製成的全尺寸傳感器頭模型安裝在供應卡車的後牆上。 圖 4 示意性地顯示了它的功能。 該傳感器的大直徑產生相對小角度（約 18°）、長距離的棒狀測量區域，彼此相鄰排列並設置為不同的最大信號範圍。 在實踐中，它允許人們設置任何所需的監控幾何形狀，傳感器大約每秒掃描四次以檢測人員的存在或進入。 其他展示的後方區域警告系統有幾個平行的單獨排列的傳感器。
圖 4 貨車後側測頭佈置及監測區域
這種生動的演示在展會上取得了巨大的成功。 它表明，許多地方正在研究保護大型車輛和設備的後方區域——例如，工業貿易協會的專門委員會 (Berufsgenossenschaften)、市政事故保險公司（負責市政車輛）、國家工業監督官員和傳感器生產商，他們更多地考慮將汽車作為服務車輛（在關注停車系統以防止車身損壞）。 自發成立了一個從各團體中抽調出來的後方區域警告裝置推廣特設委員會，並將從職業安全的角度準備一份要求清單作為首要任務。 十年過去了，在此期間，在後方區域監控方面取得了很大進展——這可能是存在檢測器最重要的任務； 但仍未取得重大突破。
許多項目都使用了超聲波傳感器——例如，圓木分揀起重機、液壓挖掘機、市政專用車輛和其他多用途車輛，以及叉車和裝載機 (Schreiber 1990)。 後方區域警告裝置對於大部分時間倒車的大型機械尤為重要。 例如，超聲波存在檢測器用於保護專門的無人駕駛車輛，例如機器人物料搬運機。 與橡膠緩衝器相比，這些傳感器具有更大的檢測區域，可在機器與物體接觸之前提供製動。 用於汽車的相應傳感器是適當的開發並且涉及相當不嚴格的要求。
同時，DIN 運輸系統技術標準委員會制定了標準 75031，“倒車時的障礙物檢測裝置”（DIN 1995b）。 要求和測試針對兩個範圍設定：1.8 m 用於補給卡車，3.0 m（額外警告區域）用於大型卡車。 通過識別圓柱形測試體來設置監控區域。 3 米範圍也是目前技術上可能的極限，因為考慮到其惡劣的工作條件，超聲波傳感器必須具有封閉的金屬膜。 正在設置傳感器系統自我監控的要求，因為所需的監控幾何結構只能通過三個或更多傳感器的系統來完成。 圖 5 顯示了一個由三個超聲波傳感器組成的後方區域警告裝置 (Microsonic GmbH 1996)。 這同樣適用於駕駛室中的通知裝置和警告信號的類型。 DIN 標準 75031 的內容也在國際技術 ISO 報告 TR 12155“商用車輛——倒車時的障礙物檢測裝置”(ISO 1994) 中列出。 各種傳感器生產商已根據此標准開發了原型。
圖 5. 配備後方區域警告裝置的中型卡車（Microsonic 照片）。
結論
自 1970 世紀 75031 年代初以來，多家機構和傳感器製造商致力於開發和建立“存在檢測器”。 在“後方警告裝置”的特殊應用方面，有DIN標準12155和ISO報告TR XNUMX。目前德國郵政公司正在進行一項重大測試。 幾家傳感器製造商分別為五輛中型卡車配備了此類設備。 該測試的積極結果非常有利於職業安全。 正如一開始所強調的那樣，所需數量的存在檢測器對於提到的許多應用領域中的安全技術來說是一個巨大的挑戰。 因此，如果設備、機器和材料的損壞，尤其是人身傷害（通常非常嚴重）將成為過去，那麼它們必須能夠以低成本實現。