Die Zukunft der Technologie: Human-Machine-Interfaces

Von Herbert Funes

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Ein Human-Machine Interface, (kurz HMI oder auch Mensch-Maschine-Schnittstelle) ermöglicht uns eine Verbindung zu Maschinen und sie so zu steuern. HMIs sind in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens allgegenwärtig und haben die Art und Weise, wie wir mit Technologie interagieren, grundlegend verändert.

Seit der industriellen Revolution im 18. und 19. Jahrhundert haben sich Maschinen und Anlagen immer weiter entwickelt und sind heute in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens allgegenwärtig.
Seit der industriellen Revolution im 18. und 19. Jahrhundert haben sich Maschinen und Anlagen immer weiter entwickelt und sind heute in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens allgegenwärtig.
(Bild: frei lizenziert / Pixabay)

Von der Steuerung von Haushaltsgeräten bis hin zur Bedienung von Industrieanlagen und medizinischen Geräten spielen HMIs eine entscheidende Rolle in der Verbesserung und Automatisierung von Sicherheit von Prozessen. In diesem Artikel werden wir uns damit auseinandersetzen, wie HMIs funktionieren, welche Arten von Schnittstellen es gibt und welche Herausforderungen und Chancen sie mit sich bringen.

Die Geschichte der Benutzerschnittstelle

Die ersten HMIs waren mechanische Hebel und Schalter, die von Hand betätigt wurden, um Maschinen zu steuern und Prozesse zu starten oder zu stoppen. Mit der Einführung von Elektronik in der Industrie kamen auch elektronische Steuersysteme auf, die es ermöglichten, Maschinen und Anlagen automatisch zu steuern und zu überwachen. Das führte zu einer erheblichen Verbesserung der Effizienz und Sicherheit von Prozessen.

In den 1980er Jahren wurden die ersten grafischen Benutzeroberflächen (Graphical User Interfaces, GUI) eingeführt, mit denen sich Maschinen und Anlagen mithilfe von Bildschirmen und Maus bedienen ließen. Diese HMIs waren intuitiver und benutzerfreundlicher als die mechanischen oder elektronischen Steuersysteme.

Heutzutage gibt es viele verschiedene Arten von HMIs, die für die Steuerung und Überwachung von Maschinen und Anlagen in der Industrie eingesetzt werden. Dazu gehören unter anderem Touchscreens, Industrie-PCs und mobile Geräte. Die fortschreitende Digitalisierung der Industrie hat dazu geführt, dass HMIs immer mehr in die Cloud integriert werden und somit von überall auf der Welt aus gesteuert werden können. Wir blicken zurück.

Was ist ein HMI (Mensch-Maschine-Schnittstelle)?

Von einem HMI spricht man heutzutage meist dann, wenn es vor allem in der Industrie und Fertigung um das Steuern und Überwachen von Maschinen meist mit Hilfe eines Displays geht. Es gibt den Bediener, eine Maschine und ein dazwischengeschaltetes Bedienfeld mit einem Display oder zumindest mit einer anderen Art von informativer Anzeige, eben das HMI. Heutzutage geht es dabei eher um Touchscreen-Displays, aber man denke zum Beispiel an eine Druckanzeige, die man nutzt, um sich wiederum für das Öffnen eines Ventils per Knopfdruck zu entscheiden. Auch dies fällt in den Bereich HMI.

Schon ein simpler Lichtschalter ist bereits ein HMI, denn ein HMI ist zunächst einmal nur eine Benutzerschnittstelle und sitzt zwischen dem Nutzer und der zu bedienenden Maschine, in diesem Falle eine Lampe. Auf dem Bild hier (Position angeben) sehen wir wiederum ein Steuergerät für eine Seilwinde inklusive einigen Satus-Informationen auf dem Display. Natürlich haben HMIs durch die Entwicklung der Elektrotechnik völlig neue Dimensionen erreicht. Doch auch mechanische Fortschritte waren enorm wichtig – so haben hydraulische und pneumatische Erfindungen dafür gesorgt, dass Maschinen oder Maschinenteile, bei denen Menschen früher ihr eigene Muskelkraft über Hebel oder Zahnräder übertragen mussten, überhaupt erst durch einen simplen Knopfdruck oder für dosierte Ansteuerung über ein Pedal bewegt werden konnten.

Die Geschichte des HMI ist fortlaufend – es gibt keinen klaren Zeitpunkt und keine Person, dem beziehungsweise der man die „Erfindung“ des ersten HMI zuschreiben kann. In der Regel wird der Zweite Weltkrieg als die Phase bezeichnet, in der man erstmals so vorging, dass man bewusst neue HMIs entwickelte beziehungsweise gezielt verbesserte, um die Nutzung von Maschinen zu optimieren. Dabei ging es nicht nur um eine angenehmere oder schnellere Bedienung, sondern auch um die Sicherheit des bedienenden Personals und die Zuverlässigkeit der Funktion.

Ein besonders wichtiges Feld war damals das Cockpit von Flugzeugen, in denen man die Anzeigen optimierte und auch die Steuerung vereinfachte, damit sich der Pilot vor allem im militärischen Flugbetrieb auf seine Kernaufgaben konzentrieren konnte. Hierzu gab es damals auch wissenschaftliche Studien, deren Resultate für wichtige Änderungen im Cockpit sorgten – die Folge waren signifikant bessere Ergebnisse in Kampfeinsätzen sowie deutlich weniger auf Pilotenfehler zurückführbare Vorfälle.

Beispiele für HMI-Schnittstellen

Ebenfalls aus dem Bereich der Flugfahrt stammt eine Innovation aus dem HMI-Bereich, die heutzutage kaum mehr wegzudenken ist. Früher steuerten die Piloten die Höhen- und Seitenruder über Seilzüge, Stangenkonstruktionen oder hydraulische Methoden. In den 50er Jahren flog dann das erste Flugzeug mit einem reinen so genannten Fly-by-Wire-System – diese Art der Steuerung sorgt dafür, dass die Eingaben des Piloten elektrisch über Kabel an Servomotoren oder hydraulische Systeme weitergegeben werden, die direkt an den Rudern sitzen. In der zivilen Luftfahrt war es die Concorde, die im Jahr 1969 ihrer Jungfernflug hatte und mit einem Fly-by-Wire-System ausgestattet wurde.

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Der Airbus A320 wiederum war im Jahr 1987 das erste zivile Großflugzeug, dass bis auf ein rudimentäres Notfallsystem keine mechanischen Steuer-Komponenten mehr vorsah und für Verkehrsflugzeuge einen Sidestick als Steuerungsgerät vorsah. Fly-by-Wire-Systeme als HMI ermöglichen überhaupt erst, dass moderne Kampfjets bestimmte Manöver ausführen können. Denn dank der zwischengeschalteten Computer wird die Bewegung des Piloten nicht stur umgesetzt, sondern es werden aerodynamische Faktoren und durch Sensoren erfasste Bewegungen miteinberechnet, die das Flugzeug stabil halten und in die Richtung bewegen, die der Pilot per Steuerknüppel oder -stick angeordnet hat. Bestimmte potenziell gefährliche Fluglagen werden auf diese Weise zudem verhindert, sofern man nicht alle Sicherheitssysteme bewusst deaktiviert.

Elektrotechnik und Computer

Durch die Elektrotechnik haben sich auch HMIs auch auf anderen Ebenen immer weiterentwickelt, denn es öffneten sich ganz neue Möglichkeiten. Vor allem die Erfindung des Computers veränderte die Welt der HMIs enorm – die Bordcomputer von Flugzeugen sind hier nur eines von vielen Beispielen. Auch bei deutlich weniger spannenden Tätigkeiten wurde es dank Computern möglich, auf einem Bildschirm Informationen aller Art zu sehen. Art und Vielfalt der Informationen hängen nur davon ab, ob man für die anzusteuernden Geräte eine Schnittstelle zum Computer zur Verfügung hat und ein dazu passendes Programm existiert.

Es wurde dank via Bildschirm bedienbaren Computern erstmals möglich, auf einer einzigen Anzeige die Information zu mehreren Geräten oder mehreren Eigenschaften eines Gerätes separat abzurufen, anstatt eine große Tafel mit etlichen Einzelanzeigen vor sich zu haben. Heutzutage ist es fast schon selbstverständlich, dass man in Werkhallen oder sogar in einem Büro außerhalb der Halle an einem Monitor Robotern neue Aufgaben zuweist und dabei neben etlichen Daten auch eine 3D-Vorschau der neuen Programmierung ansehen kann. Eines unserer Bilder im Artikel zeigt auch, wie ein mit einem Umrüstkit der Firma Built Robotics ausgestatteter Bagger per Laptop nicht nur ferngesteuert wird, sondern auch einem vorher festgelegten Plan folgt.

Haptik

Es geht bei einem HMI aber nicht einzig nur um eine Vereinfachung und Miniaturisierung der Bedienung. Wichtig kann auch die Haptik sein. So setzen beispielsweise Musikproduzenten in vielen Fällen weiterhin auf Mischpulte mit Schiebe- und Drehreglern, da das Gefühl beim Verstellen der Paramater für sie wichtig ist. Dabei könnte man all diese Aufgaben auch am Monitor mit virtuellen Reglern und der Maus erledigen, und viele der modernen Mischpulte senden ihre Einstellungen trotzdem zusätzlich auch an eine Software. Auch bei anderen HMIs ist die Haptik, besser gesagt ein spürbares Feedback, das rein funktional nicht nötig wäre, wichtig.

Denken wir zum Beispiel an das Lenkrad in einem Auto: theoretisch wäre es dank Servomotoren und elektronischer Ansteuerung der eigentlichen Lenkung problemlos machbar, dass wir beim Fahren überhaupt keinen Widerstand mehr haben, wenn wir am Lenkrad drehen. Wir könnten technisch gesehen das Auto auch über einen Touchscreen steuern. Beides wäre aber nicht sinnvoll, da man durch einen klaren Widerstand beim Drehen des Lenkrads auch ein Feedback zur aktuellen Situation der Lenkung und der Fahrumgebung im wahrsten Sinne des Wortes erfährt, was die meisten sicher bevorzugen dürften.

Interaktion in der Wolke

Eine in heutigen Zeiten wichtige Art von HMI betrifft nicht die Steuerung von Maschinen in der Industrie, sondern Büroarbeitsplätze und auch Privatleute: das Nutzen von Software über einen Cloudservice. Schon längst werden Office-Anwendungen bei vielen Firmen nur noch auf Servern installiert, und die einzelnen Nutzer bedienen eine aktive Instanz des Programmes über ihren eigenen Computer quasi per Fernbedienung. Auch Modelle, bei denen der Anbieter der Software die Programme über eigene Server laufen lässt, so dass die Kunden via Internet mit der Software arbeiten können, erfreuen sich immer größerer Beliebtheit.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Der Nutzer benötigt nur ein vergleichsweise leistungsschwaches und daher günstiges Endgerät, und die Daten bleiben zentral verfügbar. Auch mit mobilen Geräten über entsprechende Apps lässt sich auf die Software zugreifen. Theoretisch kann man von überall auf der Welt arbeiten, wo man einen Internetzugang und ein geeignetes Endgerät zu Verfügung hat. Eine Ausnahme sind Anwendungen, die aus Sicherheitsgründen nur auf einem Intranet-Server einer Firma laufen – aber auch hier ist jeder Standort mit Zugriff zum Intranet ein möglicher Arbeitsplatz.

Private Anwender können Software freilich auf diese Art via Cloud ebenfalls nutzen, und vor allem im Bereich der Computerspiele wird das so genannten Cloudgaming immer beliebter. Ein Hindernis für Cloudgaming war vor einigen Jahren noch die mangelnde Verbreitung von schnellem Internet. Inzwischen haben immer mehr Nutzer eine gute Bandbreite und auch eine niedrige Latenz zu den entsprechenden Servern. Letzteres ist im Gegensatz zu Office-Anwendungen enorm wichtig für Spiele, vor allem bei Genres, bei denen es auch im schnelle Reaktion, Präzision und Timing geht. Wie aufwändig das Spiel grafisch ist, spielt dabei keine Rolle, da ja einfach nur ein Videostream gesendet wird.

Da man mittlerweile bei vielen DSL-Anschlüssen mindestens Full-HD-Inhalte mit einer sehr niedrigen Verzögerung empfangen kann, ermöglichen Cloudgaminganbieter auch die Nutzung neuester Games auf maximalen Detaileinstellungen in Full-HD oder teils sogar in 4K. Natürlich kostet es aber mehr, wenn man eine möglichst gute 3D-Spielegrafik-Qualität haben möchte, da die Computer beim Anbieter dabei mehr zu tun haben als wenn es um ein simples 2D-Spiel ginge.

Für Top-Games ist eine sehr starke Hardware nötig – zu Hause werden dafür schnell 1500 Euro und mehr fällig. Nutzt man Cloudgaming, kann man sich die nötige Power quasi einfach beim Anbieter mieten – die teure Hardware befindet sich also nur beim Anbieter, und das schont nebenbei wichtige Ressourcen. Denn private Gaming-PCs stehen sehr oft, ähnlich wie es auch bei Automobilen ist, die meiste Zeit des Tages ungenutzt herum. Per Cloudgaming könnte eine Grafikkarte, die normalerweise in einem solchen kaum genutzten PC steckt, täglich zum Beispiel 6 Gamer für je 4 Stunden oder 12 Gamer für je 2 Stunden mit der nötigen Grafikpower versorgen.

Cloudgaming als besondere Form eines HMI bietet also auch das Potenzial für Ressourcenschonung. Es ist quasi eine Art Hardware-Sharing über das Internet. Man muss aber freilich im Detail hinsehen, wie es in Sachen Strombedarf aussieht. Denn die Nutzer von Cloudgaming könnten, falls sich diese Art von Gaming immer weiterverbreitet, am Ende vielleicht weltweit gesehen so viele zusätzliche Spielstunden kreieren, dass mehr Energiebedarf für Gaming zusammenkommt als ohne die Existenz von Cloudgaming.

(mbf)

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