Исследователи Фраунгофера разработали шлем со встроенным датчиком ускорения для водителей строительных машин. Датчик шлема измеряет вредные вибрации, влияющие на тело. Программное обеспечение анализирует сигналы датчиков и показывает уровень стресса у пострадавшего. Это позволяет принять соответствующие меры по смягчению последствий. Датчиком служит гибкая пьезоэлектретная пленка. Демонстрационная модель проекта Flexeras будет представлена на объединенном стенде Fraunhofer на Ганноверской ярмарке (22–26 апреля 2024 г., зал 2, стенд B24).
Люди, управляющие тяжелыми строительными машинами, почти постоянно подвергаются сильной вибрации. Экскаваторы, колесные погрузчики или бульдозеры генерируют низкочастотные вибрации, которые проходят через тело человека и могут вызвать проблемы со здоровьем в долгосрочной перспективе, включая, например, нарушение зрения или повреждение позвоночника и головного мозга.
Исследователи из Института структурной прочности и надежности систем Фраунгофера LBF в Дармштадте разработали решение этой проблемы в рамках своего проекта Flexeras: защитный шлем со встроенным датчиком ускорения регистрирует вибрации, воздействующие на тело, и передает их через передатчик на внешний компьютер, где они анализируются и визуализируются.
Это позволяет в любой момент определить, когда для человека, находящегося на сиденье водителя, достигнуты пределы напряжения. Соответственно, можно принять меры для облегчения работы водителя экскаватора, например, улучшить амортизацию сиденья или обеспечить своевременные перерывы.
Бьорн Зайпель, эксперт в области электромеханики и автоматизации из Fraunhofer LBF, говорит: «Вибрации всего тела, которым подвергаются водители строительных машин, в среднем достигают значений ускорения от 0,2 м/с² до 1,5 м/с²; пиковые значения могут быть значительно выше. … Наш датчик на шлеме позволяет легко и точно измерить вибрационную нагрузку в повседневной работе. Благодаря этому защита здоровья может быть значительно улучшена».
Помимо Fraunhofer LBF, партнером проекта также был Институт Фраунгофера интегральных микросхем IIS в Эрлангене. Система будет представлена в виде демонстрационной модели шлема на выставке Hannover Messe 2024 (22–26 апреля 2024 г.) на объединенном стенде Fraunhofer (зал 2, стенд B24).
Пьезоэлектретная пленка как датчик ускорения
В основе этой технологии лежит пьезоэлектретный преобразователь в виде малозаметной гибкой полипропиленовой пленки, служащий датчиком. Пленка интегрирована внутри шлема на макушке с помощью крепежного ремня. Вибрации, исходящие от строительной машины и проходящие через кузов, воздействуют на пленку под воздействием сил ускорения и деформируют ее.
Степень деформации пьезоэлектретной пленки определяет напряжение, которое в виде сигнала передается на электронный модуль. В электронном модуле сигналы обрабатываются, передаются на блок-передатчик, закрепленный на корпусе, и отправляются на компьютер по беспроводному соединению. Установленное там программное обеспечение записывает сигналы и отображает вибрации в выбранных диапазонах частот в режиме реального времени.
«Например, частоты от 4 до 6 Гц опасны для позвоночника, а голова и глаза особенно подвержены риску в диапазоне от 20 до 30 Гц. Программное обеспечение можно настроить так, чтобы оно выдавало предупреждение при достижении определенных пределов. достигнуто, например», — объясняет эксперт Фраунгофера Денис Беккер из отдела экспериментального анализа и электромеханики.
Для анализа данных эксперты Fraunhofer IIS поделились своим опытом в области анализа данных для медицинских сенсорных систем. Анализ данных также позволяет специалистам Fraunhofer определить, в каком из соответствующих частотных диапазонов вибрации особенно сильны, и создать своего рода профиль вибрации для каждой строительной машины.
Вибрационные испытания при проектировании новых строительных машин
Новая технология Фраунгофера создает основу для эффективной защиты людей, работающих с экскаваторами, тракторами и другими строительными машинами. Например, сиденья могут быть оснащены дополнительными демпфирующими элементами, или водителям будет напоминаться о необходимости сделать перерыв, когда программное обеспечение обнаружит, что предел нагрузки достигнут. В будущем блок приемника и программное обеспечение также могут быть интегрированы в бортовую электронику строительных машин.
«При разработке новых строительных машин эта технология помогает измерить уровень вибраций, а затем снизить их с помощью целенаправленных мер, даже в ранних прототипах», — добавляет Беккер.
Благодаря Flexeras компания Fraunhofer LBF вложила многолетний опыт в области систем датчиков. Эксперты разрабатывают, среди прочего, концепции и идеи по переносу существующих преобразовательных систем, таких как пьезоэлектретные пленки, на новые применения.
Помощь работодателям и ассоциациям ответственности работодателей
Промышленность проявляет большой интерес к этой технологии Фраунгофера. В конце концов, сотрудники, которые заболевают после слишком долгой работы на строительной машине, представляют собой проблему для работодателей не только с точки зрения их обязанностей по уходу, но и с точки зрения затрат. Датчик на шлеме помогает медицинским ассоциациям и ассоциациям по ответственности работодателей проводить основанную на данных и дифференцированную оценку фактического стресса, который испытывают работники. Возможны дальнейшие применения.
«Наша технология в целом подходит для людей всех профессиональных групп, которые часто подвергаются высоким биомеханическим нагрузкам», — объясняет Зайпель.