HMI Was ist Human Machine Interface? Definition, Geschichte & Beispiele

Das HMI – Human Machine Interface – ist so unscheinbar und selbstverständlich, das oft vergessen wird, wie wichtig eine benutzerfreundliche Maschine ist. Wir erläutern, wie sich die Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt hat und was uns in Zukunft erwartet.

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Das „Human Machine Interface“, kurz HMI, ist der Teil einer Maschine, mit dem der Mensch interagiert und an welchem er eingreifen kann. Das reicht von simplen Alltagsgegenständen wie dem Lenkrad – die HMI, um das Auto zu steuern – bis hin zu hochleistungsfähigen, komplexen Systemen. Das bringt aber stets die Gefahr mit sich, dass die Komplexität des HMI parallel zur Leistungsfähigkeit der Maschine mitwächst.

Wie sich die Benutzerschnittstelle entwickelte

Das Human Machine Interface ist ebenso alt wie die erste Maschine und begleitet den Menschen seit Jahrtausenden. Eine merkliche Veränderung ist ist die steigende technische Komplexität und damit auch das steigende Fachwissen, das der Anwender benötigt, um sie zu bedienen – die Benutzerschnittstelle wurde im Laufe der Zeit zunehmend komplexer und von einem Laien nicht mehr zu durchschauen.

Industrial Usability 2019

Das Anwendererlebnis im Mittelpunkt

Mit dem Einzug der Elektronik in die industrielle Fertigung wird die Bedienung von leistungsstarken Maschinen deutlich einfacher. Die technischen Prinzipien von Hydraulik und Elektroantrieben machten die Maschinen und Anlagen nicht nur ungefährlicher und leistungsstärker – erstmals konnte die Bedienung weit vom eigentlichen Aufstellungsort der Maschine entkoppelt werden. Es war zu Beginn der 1920er Jahre, als der Begriff „auf Knopfdruck“ geboren wurde. Es wurde möglich, durch wenige Handbewegungen beliebig große Wirkungen bei Geräten zu auszulösen, die weit entfernt aufgestellt waren. Die HMI hat so bereits einen entscheidenden Beitrag zur Maschinensicherheit leisten können.

Natürlich verfügt eine Maschine selten über nur einen Knopf, der alle Systeme der Maschine steuert. Mit steigender Leistungsfähigkeit der Anlagen braucht es auch immer eine verbesserte Usability, damit die Komplexität überschaubar bleibt. Bevor Maschinensteuerungen und elektronische Datenverarbeitung in die Industrie einzogen, wuchsen Steuerungspulte mit immer weiteren Knöpfen, Schaltern und Stellreglern an – die bald alles andere als benutzerfreundlich waren.

Als in den 1980ern allmählich die EDV in die Fabriken einzuziehen begann, wurde der Umgang mit Tastatur und Bildschirm zunehmend Teil des Arbeitsalltags von Bürokraft und Facharbeiter. Die programmgesteuerten HMI zeigten schnell, dass sie wesentlich leistungsfähiger waren als die vormals verwendeten starren Systeme.

Die Bestandteile eines Human Machine Interfaces

Ein Human Machine Interface von heute besteht aus vier Komponenten:

• Mensch

• Anzeige

• Eingabefeld

• Maschine

Der Nutzer tritt an die Anzeige heran, in deren Nähe sich das Eingabefeld befinden sollte. Durch eine Aktion am Interface, dem Eingabefeld, löst der Nutzer bestimmte Aktionen bei der Maschine aus. Sinn eines HMI von heute ist, die Reaktion der Maschine in ihrem wesentlichen Punkten auf der Anzeige darzustellen. Damit bekommt der menschliche Bediener die Rückmeldung über den Effekt seiner Handlung am Eingabefeld und nicht zwingend an der Maschine direkt.

Von Armaturen bis Touchscreen

Die Anzeigen haben einen starken Wechsel erlebt. Die ersten Anzeigen waren Armaturen, die an Druck- oder Durchflussventile gekoppelt waren. Ihre Aussagekraft war nur auf das direkt angeschlossene Modul beschränkt. Um sich über die Funktionsfähigkeit der Maschine zu informieren, musste der Bediener häufig weite Wege laufen und sich dabei in eine gefährliche Nähe der Maschine begeben.

Die Elektronik ersetzte die hydraulisch und pneumatisch gesteuerten Anzeigen durch Lichtsignale und Zeiger-basierte Anzeigetafeln, die weit entfernt von der eigentlichen Maschine aufgestellt werden können. Dennoch besteht hier der Nachteil, dass jede Signallampe und jede Anzeige nur über einen einzigen Zustand informieren kann. Ein Umschalten oder eine Funktionserweiterung der einzelnen Anzeige ist in der Regel nicht möglich.

Mit dem Aufkommen der Kathodenstrahlröhren und den ersten programmbasierten Steuerungssystemen gewannen die Anzeigen erstmalig eine gewisse Dynamik. Es wurde damit möglich, zwischen Programmen zu wechseln, neue Programme einzuspielen und sich damit verschiedene Zustände der Anlage auf dem gleichen Display anzeigen zu lassen.

Die Kathodenstrahl-Röhren wurden Ende der 1990er Jahre allmählich durch TFT-Anzeigen ersetzt. Diese hatten eine wesentlich geringere Baugröße und größere Zuverlässigkeit. Die Zweiteilung zwischen Eingabefeld in Form einer Tastatur oder vordefinierter Funktionsknöpfe, -hebel und -drehschalter und Display ist aber bis heute bei vielen Anlagen Standard.

Industrial Usability

In vier Schritten zum richtigen HMI-Tool

Mit dem Aufkommen des Iphones und damit des Touchscreens kündigte sich eine Revolution bei der Entwicklung der HMI an. Touchscreens bieten mit ihren wisch-, scroll- und skalierbaren Bildschirmanzeige mit beliebig vielen Programmfunktionen zahlreiche Vorteile – dennoch warten Touchscreens bei industriellen HMI-Anwendungen noch auf ihren Durchbruch. Nachteile der Technologie sind folgende:

• Verschmutzung

• Anfälligkeit

• Komplizierte Reparatur bzw. Austausch

Die Zukunft der Mensch-Maschine-Schnittstelle

Die Forschung geht deshalb gegenwärtig bei der Entwicklung der HMI einen neuen Weg: Mit Hilfe von berührungslosen Eingabebefehlen sollen die HMI sicherer und langlebiger werden. Dem Mensch stehen zur berührungslosen Eingabe drei Wege offen:

• Eingabe via Gestik

• Eingabe via Mimik

• Eingabe via Sprache

Sprachgesteuerte technische Systeme ziehen bereits mehr und mehr in unseren Alltag ein – Alexa von Amazon und Cortana von Microsoft sind mit die bekanntesten Vertreter der digitalen Assistenten, die auf Sprachsteuerung reagieren. Inwiefern sich diese Steuerung auch für industrielle Anlagen eignen, die häufig lauter sind als die privaten Räume, das muss sich erst noch zeigen.

Das Steuern einer Maschine per Gestik ist noch in der Entwicklung. Die Forschungsergebnisse lassen in diesem Punkt hoffen. Was dabei jedoch erforderlich sein wird, ist eine gute Körperbeherrschung des Anwenders. Die Gefahr von Missverständnissen ist bei einem Gesten gesteuerten HMI noch enorm groß. Auch mangelt es den heute verfügbaren Anwendungen noch an Präzision und prompter Umsetzung.

Noch schwieriger wird es, wenn die Mimik in die Steuerung einer Maschine mit einbezogen wird. Diese noch im Experimentierstadium befindlichen Ansätze konnten bei der Umsetzung als HMI noch nicht recht überzeugen.

Aus Sicht der Forschung sieht die Zukunft des Human Machine Interface aus wie ein Science Fiction. Es gibt bereits Headsets, die Hirnströme messen, und so in Zukunft direkt die Gedanken des Nutzers in Interaktionen einer Maschine umwandeln könnte – z.B. um Roboterarme zu steuern. Vornehmlich ist diese Technologie heute für Querschnittsgelähmte oder Personen mit Roboter-Prothesen gedacht. Aber auch zur Maschinensteuerung könnte die neue Technologie genutzt werden.

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