10.02.2017

Kunststoffmaschinenbau

Auf der Suche nach dem Bedienkonzept von morgen

Im Rahmen eines Transferprojektes des Clusters It´s OWL untersuchten das Citec der Universität Bielefeld und ein Kunststoffmaschinenhersteller neue Konzepte für die Mensch/Maschine-Interaktion. Das Ergebnis: Eine nach den Grundlagen des User-centered Design angepasste Touch-Bedienoberfläche erfüllt die Anforderungen der intuitiven Bedienerführung besser als eine gestenbasierte Steuerung der Extrusionsanlage.


Typische Extrusionsanlage. An diesen Anlagen müssen zahlreiche Parameter überwacht und gesteuert werden.
Bild: it´s OWL Clustermanagement GmbH

Autofahrer, Smartphone-Nutzer und Gamer haben sich längst an neue Bedienkonzepte gewöhnt, für die der Begriff Mensch/Maschine-Schnittstelle fast deplatziert ist, weil es keine sichtbare Schnittstelle wie etwa einen Taster, eine Maus oder ein Touchscreen mehr gibt. Smartphone und Navigationssystem empfangen Befehle per Sprache. Bei Spielekonsolen wie etwa der MS Kinect hat sich die freie Gestik etabliert: Jede Bewegung des Spielers im Raum erkennt sie sensorisch und setzt diese in Befehle um.

Forschungsfeld Mensch/Technik-Interaktion

Warum gibt es solche neuen, intuitiven Arten der Bedienung - die sich noch um weitere Arten wie z.B. Blicksteuerung und Augmented Reality ergänzen ließen - noch nicht bei Maschinen und Anlagen? Oder, sachlicher gefragt, welche dieser Konzepte sind auf den Maschinenbau übertragbar? Mit dieser Frage beschäftigt sich der Exzellenzcluster Citec an der Universität Bielefeld. Die Abkürzung steht für Cognitive Interaction Technology. Die Citec-Arbeitsgruppe Social Cognitive Systems erforscht kognitive Systeme in sozialer Interaktion und berücksichtigt dabei auch die unterschiedlichen Arten des Zusammenwirkens von Mensch und Technik. Mit diesem Forschungsschwerpunkt ist das Citec ein idealer Partner für das It's-OWL-Querschnittsprojekt 'Mensch/Maschine-Interaktion'. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung innovativer Methoden und Verfahren für intuitive Bedienschnittstellen der Maschinen von morgen. Im Rahmen des Projektes hat das Citec u.a. ein multimodales Prototyping Tool entwickelt, das die Evaluierung verschiedener Bedienkonzepte erlaubt. Bei den Transferprojekten des Clusters kommt das Tool nun zur Anwendung und wird zugleich weiterentwickelt. Industriepartner eines kürzlich abgeschlossenen Transferprojektes zu Steuerungskonzepte für den Maschinenbau ist Battenfeld-Cincinnati. Dort entwickeln und fertigen rund 270 Mitarbeiter Extrusionsanlagen, die u.a. für die Produktion von Rohren und Tiefziehfolien aus Kunststoff zum Einsatz kommen.

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Anforderungen an die Mensch/Maschine-Schnittstelle

Bei Extrusionsanlagen gilt es, eine Fülle von Parametern zu steuern und zu überwachen. Entsprechend komplex ist die Mensch/Maschine-Schnittstelle, wobei zu berücksichtigen ist, dass der Bediener bei einigen Tätigkeiten Schutzhandschuhe trägt und auch Arbeiten ausführt, bei denen er sich weit von der Bedieneinheit entfernt. Bislang nutzte das Unternehmen eine grafische Nutzerschnittstelle für die Anlagensteuerung, die aufgrund der Komplexität der Prozesse und Maschinen eine Vielzahl von Auswahlmöglichkeiten und Menüs enthält.

Sprechen, wischen oder gestikulieren?

Im Transferprojekt ExtruFace untersuchte das Citec gemeinsam mit den Verantwortlichen von Battenfeld-Cincinnati, welche Bedienkonzepte sich für künftige Maschinengenerationen anbieten. Ziel war dabei u.a., eine verbesserte Benutzerführung zu erreichen und die kognitive Belastung der Nutzers dabei so gering wie möglich zu halten. Auf der Basis einer Anforderungsanalyse, zu der auch Interviews mit Maschinenanwendern gehörten, wurde für zwei Varianten - Touch und freie Gestik - eine Konzeption erstellt, die als Prototyp gebaut und anschließend evaluiert wurde. Eine Sprachsteuerung schied aus, weil es im Umfeld der Maschinen häufig zu laut ist.

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Einbeziehen der Nutzer

Der Prototyp der Touch-Schnittstelle zeichnet sich durch eine übersichtliche Gestaltung mit klarer Nutzerführung aus. Die Icon-Auswahl passt sich dem Nutzer-Feedback an, sodass die Oberfläche nicht überladen wirkt. Als Alternative wurde eine Schnittstelle entwickelt, bei der vor dem Touch-Monitor ein Leap Motion Controller installiert ist, der ein Set von definierten Gesten (z.B. für Drag&Drop und Bestätigung) erkennt. Zusätzlich kommt auch die 3D-Kamera des MS-Kinect-v2-Systems zum Einsatz, die die Entfernung des Nutzers und großmotorische Gesten z.B. für den Start der Maschine erkennen soll. Um versehentliches Auslösen der Maschine durch z.B. eine zufällige Geste eines Mitarbeiters im Hintergrund zu vermeiden, wurde zusätzlich eine Sicherheitsgeste in das Gesten-Set aufgenommen, bei der der Bediener 4s lang seine Hand oben halten muss, bevor er die Startgeste ausführt.

Vergleichstest: Touch-

oder Gestensteuerung?

Die beiden Interfaces testeten nun je zwölf Teilnehmer, wobei jeweils acht maschinentypische Aufgaben zu erledigen waren. Bei den rein faktischen Kriterien wie Zeitdauer und Genauigkeit wurden keine signifikanten Unterschiede gemessen. Unterschiede gab es jedoch bei der subjektiven Empfindung: Die Probanden bewerteten die kognitive Belastung bei der Touch-Steuerung als deutlich niedriger im Vergleich zur gestenbasierten Interaktion. Die Usability, d.h. die Gebrauchstauglichkeit der Touch-Steuerung, bewerteten sie als signifikant besser. Bei der User Experience hingegen gab es für die gestenbasierte Interaktion eine bessere Bewertung für die hedonische Qualität (HQ) der Schnittstelle - ein Faktor, der über reine Nützlichkeit hinausgeht und dem Nutzer durch neuartige Funktionen und Interaktionsformen Spaß und Freude bereitet.

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Favorit: Touch-basierte Interaktion

Somit ist das Ergebnis des Transferprojektes eindeutig: Die Probanden favorisierten die touch-basierte Interaktion mit der Extrusionsanlage. Die nach den Maßgaben des User-centered Design umgestaltete Nutzerschnittstelle wurde als sehr gut bedienbar empfunden. Darüber hinaus zeigten die Nutzer Interesse an einer gestik-basierten Maschinensteuerung, aber die aktuell verfügbare Technik zur Gestenerkennung ist noch nicht zufriedenstellend. Für die neueste Maschinengeneration hat das Unternehmen mit BCtouch UX eine mobile Bedieneinheit entwickelt, die im Verhältnis zu den Vorgängermodellen eine einfachere, intuitive Bedienung ermöglicht. Dabei kommen Bedienkonzepte zur Anwendung, die sich an denen von Tablets und Smartphones orientieren und eine weitestgehend selbsterklärende Menüführung ermöglichen.

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