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Bei der Interaktion mit Maschinen ist zunehmend Mobilität gefordert

Mensch-Maschine-Schnittstellen: Das Bedien-Interface wird neu definiert
Bei der Interaktion mit Maschinen ist zunehmend Mobilität gefordert

Bedienen, warten, schulen und trainieren: Im Umgang mit Maschinen und Computern hat es der Nutzer nicht immer leicht. Viele traditionelle Formen der Mensch-Maschine-Schnittstelle verdienen nicht das Etikett „menschengerecht“. Für dieses Ziel legen sich Forscher und Entwickler ins Zeug.

Von unserem Redaktionsmitglied Dietmar Kieser

Wird der flinke Transportroboter den Test bestehen? Unermüdlich füttert er zwei Bearbeitungsstationen mit Material. Dass eine davon plötzlich ihren Dienst quittiert, stört den mobilen Gehilfen nicht. Blitzschnell verständigt er sich mit der anderen Station, die ihm meldet, dass sie die erforderlichen Arbeitsumfänge übernehmen kann. Test bestanden!
Was Wissenschaftler des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts IPA zusammen mit dem Steuerungsanbieter Schneider Electric GmbH aus Seligenstadt kürzlich auf der Hannover Messe demonstrierten, gilt als aussichtsreiches Vorhaben bei der Steuerung einer flexiblen Produktion. Das Prinzip, das diesem Szenario zugrunde liegt, ist auf Auktionen gebräuchlich: Offerte, Angebot und Zuschlag. Die Technik: sogenannte Agentensysteme, die in Netzwerken agie- rende Maschinen in selbstständige Komponenten verwandeln.
Szenenwechsel: Die Aussteller der Forschungshalle 18 präsentieren technische Entwicklungen, die voller Brisanz sind. Augmented Reality (AR) ist eine davon. Experten wie Professor José L. Encarnação gilt sie „als wichtige Schlüsseltechnologie der Zukunft“. Die Abordnung, die der Darmstädter Leiter des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung (IGD) gen Hannover geschickt hat, führte beispielsweise eine Spezialbrille im Messegepäck, die mit einem Laptop vernetzt ist. Ihren Träger stattet die halbtransparante Sehhilfe mit Know-how aus: Per Rechnerhilfe erhält er Informationen in das Sichtfeld eingeblendet, die beispielsweise Montage- und Servicetechnikern Schritt für Schritt den Weg weisen beim Montieren oder Inbetriebnehmen.
Die vom Computer mit Bildern überlagerte Realität zielt besonders auf die Bereiche Wartung und Reparatur, „bei denen es ohne Mobilität gar nicht geht“, schildert Dipl.-Ing. Ralf Behnke die Anforderung. Der Wissenschaftler am Institut für Prozess- und Produktionsleittechnik (IPP) der TU Clausthal hat in Sachen AR reichlich Erfahrung gesammelt. 1998 präsentierten er und sein Team auf der Düsseldorfer Messe Interkama ihre CAR-Brille. Anstelle des Laptops wird sie künftig „mit einem Wearable genannten Mini-PC vernetzt sein, den der Werker am Hosengürtel trägt“, meint Behnke. Probleme bereite nur noch das Tracking-System, das die Position des Brillenträgers zum Objekt berechnet. Das müsse drahtlos werden, stellt er klar. Das IPP setzt hier auf optische Systeme, die gegenüber der elektromagnetischen Variante platzsparender und auch kabellos zu realisieren sind. Behnke hält es für möglich, dass eine solche Lösung in zwei Jahren kommerziell verfügbar sein wird. Aber auch weiterentwickelte Brillenversionen stehen vor der Realisierung. Die Forscher wollen das Display-System in ein herkömmliches Brillenglas integrieren. Und selbst das Auge als Projektionswand ist kein Tabu mehr. Über das Retinal-Display werden Informationen per Laser auf die Netzhaut projiziert.
Beispiele wie diese zeigen: Die Schnittstellen zwischen Menschen und Maschinen verändern sich, vor allem aber die Interaktion mit dem Computer. Die klassische Form der Eingabe per Tastatur, Maus oder Display wird zunehmend von anderen Techniken abgelöst und den Bedürfnissen der Menschen und der Anwendungssituation angepasst. Die Art und Weise, wie der Mensch Technik nutzen, bedienen, reparieren, warten und sich schulen sollte, um einfach, effizient und sicher mit ihr umgehen zu können, mobilisiert die ingenieurwissenschaftliche Zunft.
Doch die betriebliche Realität hält dem oft nicht Stand. Vollgepackt mit technisch spannenden Anwendungen, sollen moderne Maschinen, Anlagen und Systeme dem Menschen das Leben erleichtern. Doch weit gefehlt! Nach wie vor entlarven sich viele mit Funktionen überfrachtete Systeme, übrigens auch der PC, als Ignoranten menschlicher Bedürfnisse und Verhaltensweisen.
Nicht nur Personal Computer, Videorecorder und Hifi-Anlagen, auch zahlreiche Büro- und Automatisierungsgehilfen scheinen vom Credo des Schnittstellen-Forschers Prof. Dr.-Ing. Peter Elzer weit entfernt zu sein. Elzer, der an der TU Clausthal dem Institut für Prozess- und Produktionsleittechnik vorsteht, fordert, die Maschine dem Menschen anzupassen, und nicht umgekehrt. „Unfälle werden oft zu schnell mit menschlichem Versagen in Zusammenhang gebracht, wenn der Bediener die Warnungen oder Meldungen des Systems nicht rechtzeitig oder falsch versteht“, meint Elzer. Der Grund ist für ihn aber oft ein anderer. Vielmehr sei es so, dass die von einer Maschine ausgesandten Signale nicht gut genug auf den menschlichen Wahrnehmungsapparat abgestimmt seien.
Beispiel Produktionsanlage: Über die Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS) greift der Bediener nicht mehr direkt auf den technischen Prozess zu. Vielmehr kommuniziert er im Sinne eines Supervisors mit einem Gesamtsystem. Doch dessen Eigenschaften werden im Wesentlichen durch das Steuerungs- und Regelungssystem bestimmt.
Dass diese Tatsache in der Praxis beim Gestalten von Bedien-Interfaces und -vorgängen immer wieder verdrängt wird, darauf zielt Elzers Kritik ab. Wer Mensch-Maschine-Systeme heute gestalte und entwerfe, könne sich nicht mehr mit reiner Ingenieurskunst behelfen und den Menschen als schwächstes Glied der Kette gewissermaßen außen vor halten, gibt der TU-Wissenschaftler zu bedenken. Elzer plädiert dafür, „die Fähigkeiten des Menschen zu nutzen, eigene Fehler zu erkennen und zu korrigieren, bevor diese sich auswirken könnten“.
Zuhilfe kommen neue Denkansätze und Techniken. Um Anlagen in Zukunft einfacher und sicherer betreiben zu können, bedient sich die Forschung nicht nur multimedialer Techniken wie etwa Augmented Reality, sondern vermehrt auch den Erkenntnissen der Kognitionswissenschaften.
Seit beispielsweise Psychologen die vor Jahrzehnten aufgestellte Hypothese des US-Forschers J. J. Gibson intensiv überprüfen, gilt eine spezielle Theorie über die menschlichen Sinneswahrnehmung (Perzeption) als einer der chancenreichen Denkansätze für die MMS-Gestaltung: Demnach soll der Menschen in der Lage sein, wahrgenommene Muster ganzheitlich zu verarbeiten. Er nimmt laut Elzer „das ganze Umfeld in einer integralen Weise dar“. Für ihn ist dies eine Erklärung dafür, „warum 3D-Darstellungen so intensive Effekte der Faszination und Neugier auslösen“. Wer sich also in virtuellen Räumen aufhält oder mit simulierten Szenen oder Objekten hantiert, findet sich dort mittels Sinnesstimulation intuitiv zurecht.
Derartige Erkenntnisse haben dazu geführt, dass „jetzt wissenschaftlich untermauert ist, was die Ingenieure früherer Jahre, wenn sie gut waren, gefühlt haben“, sagt Institutsleiter Elzer, „begründen konnten sie es nicht“. Der heutigen Konstrukteurs-Generation könnte das wissenschaftliche Unterfutter, das sich jetzt allmählich aufbaut, zum Durchbruch verhelfen. Den Beweis, wie einfach und intuitiv sich neue Technologien nutzen lassen, treten sie mit zahlreichen Testimplementationen wie an der TU Clausthal an. Aber auch Leit- und Forschungsprojekte wie Embassi in Rostock (Fraunhofer IGD) und Darmstadt (ZGDV) oder die Smartkom-Initiative (futuristische Internet-Telefonzelle) beleuchten die Interaktion zwischen Mensch und Technik (siehe Kasten unten).
Aktuelle Denkrichtungen bestätigen einen schon lange bekannten Grundsatz: „Der Betrieb technischer Systeme ist immer dann besonders effizient und sicher – und damit kostengünstig -, wenn sie von vornherein als Mensch-Maschine-System entwickelt wurden“, argumentiert Peter Elzer. Für ihn bedeutet das, dass schon beim Entwurf die spätere optimale Unterstützung von Betrieb und Wartung berücksichtigt werden müsse.
Mit dieser Einsicht rennt er bei seinen Kollegen offene Türen ein. Auch Prof. Dr.-Ing. José L. Encarnação, in Personalunion Professor an der TU Darmstadt und Leiter des Fraunhofer IGD, macht in puncto Bedienbarkeit und Nutzerakzeptanz mächtig Tempo. Um schon im Vorfeld der Produktentwicklung per Informationstechnik solche Fragen abzuklären, plant der Informatikforscher „einige Useability-Labore aufzubauen“. Früher, sagt der gebürtige Portugiese, sei viel über Akzeptanz, Ergonomie und Bedienbarkeit geredet worden. Doch um Experimente anstellen zu können, habe es an Werkzeugen und Laborumgebungen gemangelt. Heute sei man dank des Fortschritts bei der Rechnerleistung besser in der Lage, im Sinne der Praxistauglichkeit zu testen – und das im Rahmen einer interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Psychologen, Ergonomen, Informatikern und Designern.
Gewiss haben die zunehmenden Probleme der Anwender im Umgang mit Technologien dem Schub verliehen. Zugleich hat das menschliche Grundbedürfnis, beweglich zu sein, die Entwicklung mobiler Systeme forciert – und damit weitere Probleme angehäuft. Wären da nicht „Erfindungen und Evolutionen, die auf einmal alles auf einen Punkt bringen. Und man spürt, jetzt müsste es zu machen sein“, meint der renommierte Informatikwissenschaftler.
Was Encarnação so sicher macht, ist der immense technologische Fortschritt in der Informations- und Kommunikationstechnik: Die Vernetzung schreitet rasant voran, Leistung und Funktionalität von Rechnern und Netzen nehmen zu, ebenso die Integration der Mikroelektronik. Fortschritte bei der Software-Entwicklung ermöglichen mit einer Mischung von Grafik, Interaktion, Künstlicher Intelligenz und Sprachverarbeitung emotionales wie auch adaptives Computing. „Weil das alles zur X-Reality zusammenwächst“, sagt José Encarnação, „sind wir auf dem besten Weg, Umgebungen und Anwendungen zu schaffen, bei denen der Rechner samt Bedientools allgegenwärtig und doch unsichtbar ist.“
Vereinfacht gesagt geht es um die Frage, wie aus dem Weniger das Mehr entstehen kann. Technologisch sei die richtige Richtung eingeschlagen worden, meint Encarnação, es brauche nur noch eines gewissen Weges. Seiner Ansicht nach wird das „nicht morgen und auch nicht übermorgen sein“, bis es dem Benutzer ziemlich egal sein kann, an welchem Platz im Raum der Computer steht und er ihm in jeder Situation genau die passende Information in der passenden Form liefert. Bei einem ist er sich aber sicher: „Wir werden in völlig andere Dimensionen der Anwendungsmöglichkeiten vorstoßen und ganz andere Mengen an Benutzern erschließen.“
Falls die derzeit noch verhaltene Akzeptanz der Geräte- und Systemhersteller gegenüber den neuen Möglichkeiten wächst, werden VR, AR und andere fortschrittliche Interfaces schon bald im Alltag auftauchen.
Internet-Leitfaden: Mensch-Maschine-Schnittstellen: Forschung und Praxis arbeiten Hand in Hand
Die Forschung auf dem Gebiet der Mensch-Maschine-Schnittstellen läuft weltweit auf Hochtouren. Entsprechend groß ist auch das Informationsangebot im Internet. Eine Auswahl:
Expertendatenbank MMS, TU Berlin
Embassi-Projekt (BMBF-Leitprojekt)
Institut für Prozess- und Produktionsleittechnik der TU Clausthal
Fraunhofer-IGD, Darmstadt
Zentrum für Mensch-Maschine-Inter-aktion,Uni Kaiserslautern (Useware Forum)
www.uni-kl.de:80/pak/mmi/mmi.html
Projekt Arvika (Augmented Reality); beteiligt sind 20 Firmen und Institute
Projekte AR-PDA und VRIB (Koordination: TU Ilmenau)
http://prakinf.tu-ilmenau.de
Fachtagung Mensch & Computer 2001
http://mc2001.informatik.uni-ham burg.de
Nachgefragt: „Der Nutzen wird nicht sofort erkannt“
Für Prof. Dr.-Ing. Peter Elzer ist die Ausganglage paradox: Mit bereits vorhandenen Konzepten und Technologien könnte der Mensch die Maschine sicherer und einfacher bedienen. Doch die betrieblichen Anwender zögern.
? Wie kann die Mensch-Maschine-Schnittstelle dem Untenehmer helfen, seine Business-Ziele besser zu erreichen?
! Relevant sind für ihn zufriedene Kunden, wenig Störmeldungen seiner Systeme und keine zu verschuldende Produkthaftung. Erreichen kann er dies, wenn er Systeme mit am Nutzer orientierten Bedienschnittstellen anbietet.
? Ist das in der industriellen Praxis nicht gegeben?
! Praktiker aus der anwendenden Industrie haben mir gegenüber zu verstehen gegeben, dass sich die Benutzer an alles gewöhnen würden. Wozu sollte man also mehr Geld als unbedingt nötig für die Mensch-Maschine-Schnittstelle ausgeben? Beigetragen haben dazu sicherlich auch die niedrigen Preise, die für Rechner heute zu bezahlen sind. Diese Tendenz bemerken wir seit knapp zehn Jahren. Auch meine Forschungsdomäne ist davon betroffen: Der finanzielle Anteil der Benutzerschnittstelle an den Gesamtinvestitionen für Leitsysteme sinkt.
? Die Mensch-Maschine-Schnittstelle ist also ein Stiefkind?
! Weil der Nutzen nicht sofort erkannt wird. Viele Hersteller sagen, ihren Kunden käme es mehr auf Features als auf Qualität an. Entwickler wiederum haben Freude daran, ihre Kreativität zu demonstrieren, wenn sie mit wenigen Bits ein weiteres Feature realisieren können. So schaukeln sich die Anforderungen von Kunden und Entwicklern gegenseitig hoch.
? Was kann getan werden, damit ein Umdenken stattfindet?
! Zum einen müssen Kunden und Unternehmer aufgeklärt werden. Als nächsten Schritt sollte man durchrechnen: Was kann, was muss ich mir an anständiger Nutzerschnittstelle leisten, um die Kundenzufriedenheit zu erhöhen und die Reklamationsrate zu senken?
? Ist die Wissenschaft dafür gewappnet?
! Das Interessante ist: In unserer Branche weiß man von nahezu jedem Problem und wie es zu lösen ist. Wir suchen nur die Kunden. In der weltweiten Forschungsszene läuft ungeheuer viel. Insbesondere trägt inzwischen die interdisziplinäre Arbeit Früchte. Sie hat in den vergangenen 20 Jahren zu Einsichten geführt, deren Anwendbarkeit für die betriebliche Praxis sofort einzuleuchten scheint. Man sollte also denken, dass sich die Anwendung ebenso schnell weiterentwickelt. Aber das ist offenbar nicht der Fall. Alle stehen vor dem Problem, dass die Anwender derzeit nicht bereit sind, das entsprechende Geld dafür auszugeben. dk
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