Mensch-Maschine-Schnittstellen HMI-Trends: Sprache, Software und künstliche Intelligenz

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Immer mehr Informationen müssen in der Industrie verarbeitet werden. Das wirkt sich auch auf die Mensch-Maschine-Schnittstelle aus. Sprachsteuerung, anpassbare Software, mehr Rechenleistung und künstliche Intelligenz treiben die Entwicklung.

In der Maschinen- und Anlagenbedienung oder bei medizinischen Geräten: Überall nutzen wir zur Interaktion zwischen Menschen und Maschinen moderne Human Machine Interfaces (HMIs) und sie lösen haptische Bedienelemente und analoge Anzeigen ab.

Wie einst rein mechanische Interaktionen aussahen, konnte man am Fernsprechtischapparat Typ FeTAp 615 der Deutschen Bundespost sehen, der mit einer Wählscheibe bedient wurde. Ein anderes Beispiel war das Cockpit des VW Golf II, das durch seine Druckknöpfe bestach.

Bei modernen Benutzerschnittstellen kommt es auf eine einfache Bedienung sowie auf eine präzise Darstellung der Informationen an. Ein Haupttreiber ist die Digitalisierung; es stehen uns immer mehr Daten zur Verfügung. Doch diese sinnvoll und auch für uns Menschen in verarbeitbaren Dosen zu präsentieren, ist Aufgabe moderner Mensch-Maschine-Schnittstellen.

Zusammen mit den Experten von SECO Northern Europe (ehemals Garz & Fricke) erläutern wir, welche Trends derzeit den Markt prägen und wohin eine mögliche Entwicklung gehen kann.

Hygieneaspekt bei der HMI-Bedienung

Nicht erst seit der Corona-Pandemie ist es wichtig, dass die Oberflächen von Touch-Displays sauber sind. Vor allem im medizinischen Umfeld ist eine hygienisch saubere Oberfläche entscheidend.

Deshalb wird immer öfter gefordert, dass die Bedieneinheiten komplett desinfizierbar sein müssen, was sich auf die eingesetzten Materialien auswirkt. So sind beispielsweise sichtbare, lackierte Kunststoffe in der Regel nicht ausgelegt für Desinfektionsmittel.

Auch ist es heute aus Hygienegründen erforderlich, dass der Einbau fugenlos erfolgt. So können keine Kanten entstehen, in denen sich Schmutz ansammelt. Dieser Aspekt treibt auch die Entwicklung alternativer Bedienkonzepte wie die Gestensteuerung voran.

Sprache als alternatives Bedienkonzept

Die Interaktionsmöglichkeiten werden vielfältiger: vom Touch-Display über Remote-Touch-Systeme, bei dem die Bedienung mit dem eigenen Smartphone erfolgt, bis hin zu Sprach- und Gestensteuerung. Im Vordergrund steht dabei die Überlegung, wie die Interaktion zwischen einem Mensch und einer Maschine optimiert werden kann.

So ist beispielsweise die Sprachsteuerung in einer lauten Umgebung nicht sinnvoll und wenn man die Hände nicht frei hat, kann man mit einer Gestensteuerung relativ wenig anfangen. Letztlich bestimmen also die Applikation, das Umfeld und der Standort das Bedienkonzept.

Eine anpassbare Software für individuelle Schnittstellen

Aus der Smartphone-Welt sind es Anwender gewohnt, ihr Gerät über die Software individuell anzupassen. Dieser Trend ist auch im gewerblichen und industriellen Umfeld angekommen. Besonders allerdings im Automotiv-Sektor zu beobachten.

Für Hersteller von Produkten mit einer längeren Lebenserwartung ist es ein wichtiger Wettbewerbsvorteil, wenn sich die Geräte hinsichtlich Aussehens und Art der Nutzung immer wieder durch Software an die Gegebenheiten anpassen und auch modernisieren lassen.

Dieses Konzept bietet die Möglichkeit, Funktionen über die Software hinzuzufügen, zu verändern, zu entfernen oder auch nur für eine begrenzte Zeit zuzulassen. Mit diesen Anpassungsmöglichkeiten können auch Optimierungen und Funktionserweiterungen während des laufenden Betriebs erfolgen.

Für die Software in einer HMI-Anwendung ist es wichtig, sie einfach in das Bediensystem integrieren zu können. Dabei geht der Trend eindeutig zur HMI-Gesamtlösung aus einer Hand, inklusive kompletter Schnittstelle zum Betriebssystem, der Einbindung in übergreifende IoT-Netzwerke, Zertifizierungen und Dokumentation.

Dank anpassbaren Funktionen in der Software ist es möglich, die Bediensystem zudem individuell zu gestalten. Das muss von Anfang an bei der Entwicklung der Hardware berücksichtigt werden.

Steigende Rechenleistung und Hardware-Anforderungen

Rechenleistung und Speicherkapazitäten steigen, doch der Markt verlangt nicht nach einer General-Purpose-Hardware, die alles kann. Die Bandbreite der Komponenten ist groß: vom einfachen Mikrocontroller bis hin zum Controller mit Special Features wie Industrial Ethernet mit Echtzeitfähigkeit oder mit speziellen Kamera-Engines.

Von einfachen Prozessorsystemen bis hin zu High-Performance-SoCs ist alles möglich. Durch die Vielfalt steigen zudem die Anforderungen an die Entwickler. Komponenten mit neueren Technologien und höheren Bandbreiten verlangen ein besonderes Augenmerk im Leiterplattendesign. Das ist notwendig, um einwandfreie Funktion und Stabilität über den kompletten Temperaturbereich hinweg zu garantieren. Das erfordert heute viel mehr Vorarbeit als noch vor einigen Jahren und wird künftig noch wichtiger werden.

Auch Schnittstellen wirken sich auf das Hardware-Design aus: USB 3.0 bietet im Vergleich zu USB 2.0 mehr Funktionen, als nur einen Speicherstick oder eine Maus anzuschließen. Diese Features aber bringen neue Anforderungen hinsichtlich der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) mit sich.

Das wirkt sich nicht nur auf das Hardware-Design des HMIs, sondern auf das gesamte Gerätedesign aus. Ebenso wie die Bildschirmauflösung steigt auch die Leistungsfähigkeit der Prozessoren und damit die Anforderung an die Software-Entwicklung.

Außerdem wird die Möglichkeit zum Anschluss von Kameras und Mikrofonen an Bedeutung gewinnen. Heute gehört eine umfassende Analyse der Vorgänge in den Geräten schon fast zum Standard.

Machine Learning und künstliche Intelligenz

Neue Prozessoren wie der i.MX 8M Plus von NXP bringen zum Beispiel eine Neural Network Engine mit. Dabei ist ein Teil des Prozessors nur für die Ausführung von Machine-Learning-Algorithmen zuständig.

Das Thema ist bei industriellen Systemen noch neu, bietet jedoch viele Chancen. Auch die Hersteller fangen an, sich mit dem Thema auseinanderzusetzen. Sie stellen sich beispielsweise Fragen wie: Was kann ich alles machen, welche Vorteile ergeben sich daraus und welche Auswirkungen hat es eventuell auf meine Geschäftsprozesse? Kann man im öffentlichen Raum beispielsweise eine Kaffeemaschine platzieren, die per künstlicher Intelligenz (KI) Gesichter auswertet und dem Nutzer am Ende einen doppelten Espresso anbietet, weil er gerade sehr müde aussieht – ist das datenschutzrechtlich erlaubt?

Die ersten Systeme mit dedizierter KI-Einheit sind seit einigen Monaten erhältlich und finden nun Einzug in Kundenprojekte. So hält diese Technologie allmählich Einzug in die HMI-Welt. Hersteller können mit ihren Kunden in die Diskussion gehen und den Nutzen einer Neural Network Engine in einem HMI aufzeigen.

Beispielsweise könnte eine rotierende Komponente in der Maschine via Mikrofon und KI überwacht und über die Bedieneinheit gegebenenfalls Fehler- und Warnmeldungen ausgegeben werden. Damit eng verbunden ist das Thema Datenschutz. Deshalb wird die Entwicklungstätigkeit zukünftig deutlich weiter gefasst sein als bisher.

Entwickler müssen sich mehr Gedanken über die Auswirkungen einer Innovation machen und dabei berücksichtigen, an welche gesetzlichen Grenzen sie eventuell gelangen und welche Datenschutzrichtlinien gegebenenfalls verletzt werden könnten.

Wie sich Interface-Systeme in Zukunft entwickeln könnten

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