Veröffentlicht am 23. Mai 2018 von Nadine Kempe

User Experience und Usability – die Schlüssel für erfolgreiche HMIs

Der Erfolg von Maschinen am Markt wird nicht länger nur durch traditionelle Faktoren wie die Fertigungsqualität und Präzision bestimmt. Mittlerweile ist die Qualität der Steuerung, also der Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human Machine Interface, HMI), ein ebenso wichtiges Qualitätsmerkmal. Was früher nur für Consumer-Produkte wie Smartphones und Haushaltsgeräte galt, hat mittlerweile auch Einzug in die Fertigung industrieller Maschinen und Anlagen gehalten. Ein Markterfolg ist nur noch möglich, wenn die Maschine die Bedürfnisse und Anforderungen der Nutzer zu 100% erfüllt.

Diese Eigenschaften werden durch zwei Begriffe beschrieben – zum einen User Experience (das Nutzungserlebnis) und zum anderen Usability (die Gebrauchstauglichkeit) eines Produktes. Beide sind in der DIN EN ISO 9241 wie folgt definiert:

  • User Experience: „Die Wahrnehmungen und Reaktionen einer Person, die aus der Benutzung oder auch angenommenen Benutzung eines Produktes, eines Systems oder einer Dienstleistung hervorgehen.“ DIN EN ISO 9241-210
  • Usability: „Das Ausmaß, in dem ein Produkt durch bestimmte Benutzer in einem bestimmten Nutzungskontext genutzt werden kann, um bestimmte Ziele effektiv, effizient und mit Zufriedenheit zu erreichen.“ DIN EN ISO 9241-110

Im Unterschied zu Consumer-Produkten liegt der Fokus bei Produkten im Industriekontext erwartungsgemäß weniger auf einem emotionalen Nutzererlebnis, sondern konzentriert sich vielmehr auf Funktionalität und Gebrauchstauglichkeit. Schließlich dient ein optimiertes HMI keinem Selbstzweck, sondern ermöglicht einen effizienteren Einsatz der Maschine in der Produktion. Ein Beispiel aus der Lebensmittelindustrie ist ein direkt in das HMI eingebettetes interaktives Assistenzsystem, welches den Nutzer bei der Umrüstung der Maschine unterstützt:


Ein Assistent erkennt nach der Umrüstung der Maschinenkonfiguration selbstständig, welche Komponenten  gerade zum Einsatz kommen und schlägt die häufigsten Programme vor, die mit dieser Konfiguration gefahren werden können.

 

Um in der Fertigungsstraße von einem Produkt auf ein anderes umzusteigen, muss der Bediener verschiedene Vorsätze in einer bestimmten Kombination an die Hauptmaschine anschließen. Wird die Steuerung erneut eingeschaltet, erkennt der Umrüstassistent die neue Konfiguration mit Hilfe der verbauten Sensorik automatisch. Dem Bediener werden nun nur noch die damit möglichen Produkte, geordnet nach ihrer bis dato produzierten Häufigkeit, angeboten. Hier greifen eine Geräteerkennung und eine daraus automatisch abgeleitete reduzierte Funktionsauswahl intelligent ineinander. Fehlbedienungen werden so aktiv vermieden und der Bediener bekommt nur die Informationen angezeigt, die er aktuell benötigt. Das steigert dauerhaft die Produktivität.

Das Beispiel zeigt, wie wichtig eine ganzheitliche Betrachtung des gesamten Bedienprozesses einer Maschine für eine effiziente Bedienbarkeit ist. Nur durch eine ganzheitliche Betrachtung entsteht ein stimmiges Gesamtpaket, das den Benutzer optimal unterstützt.

Dieser zentralen Bedeutung von Usability für die Interaktionen von Bedienern mit Maschinen trägt die DIN EN ISO 9241 noch weiter Rechnung.  Die umfassende Norm zur „Ergonomie der Mensch-System-Interaktion“ stellt in Teil 110 sieben Grundsätze zur Gestaltung der Schnittstelle zwischen Bediener und System bereit. Die Grundsätze zerlegen den abstrakten Begriff „Usability“ in sieben konkrete Teilaspekte, wobei die Reihenfolge der Prinzipien ihre Priorität widerspiegelt.

Dialogprinzipien: sieben Merkmale einer intuitiven Bedienung

Wie eingangs geschildert, wird Usability immer an der Aufgabe gemessen, die der Bediener mit dem Gerät bzw. dem HMI in einem bestimmten Kontext erfüllen muss. Das erste und wichtigste Dialogprinzip Aufgabenangemessenheit spiegelt genau das wieder.  Danach darf das Interface nur genau die notwendigen Informationen und Funktionen anzeigen, die der Bediener für seine aktuelle Aufgabe benötigt – nicht mehr und nicht weniger. Es gilt also, im wachsenden Bestand an Daten zu identifizieren, was genau der Bediener in welcher Situation wissen muss. Daten, die im aktuellen Schritt nicht relevant sind, dürfen demnach auch nicht angezeigt werden. Das vermeidet ein Überfrachten des Interfaces und beugt der Überforderung vor. Besonders im Hinblick auf eine effiziente Bedienung bei zeitkritischen Vorgängen ist dieses Prinzip von zentraler Bedeutung.

Das nächste Prinzip der Selbstbeschreibungsfähigkeit beschäftigt sich mit der Klarheit der Informationsdarstellung. Es besagt, dass dem Bediener jederzeit genau klar sein muss, wo er sich im System befindet und welche Handlungen er wie ausführen kann. Notwendige Eingaben sind deutlich zu kennzeichnen – inkl. der Art und Weise, wie diese Eingaben verlangt werden. Die Verwendung von externen Wissensquellen wie Handbücher oder Schulungsunterlagen ist auf ein Minimum zu reduzieren.

Generell gilt: der Nutzer darf nicht überrascht werden. Das Verhalten des Systems muss für den Nutzer vorhersehbar sein und allgemeinen Konventionen entsprechen. Das verwendete Vokabular muss dem Nutzer vertraut sein und auf seine Handlung sollte unmittelbar eine passende Rückmeldung folgen. Auch die Konsistenz innerhalb eines Systems ist wichtig. Häufig verwendete Buttons, wie „ok“ oder „abbrechen“ sollten immer an der gleichen Stelle erscheinen. Dieses Prinzip bezeichnet man als Erwartungskonformität.

Das vierte Prinzip ist die Lernförderlichkeit. Dieser Grundsatz fordert, dass das System den Bediener beim Erlernen der Bedienung unterstützt und anleitet – eben ohne ein Handbuch zu benötigen. Dazu müssen hilfreiche Informationen und Rückmeldungen gegeben werden, die dem Nutzer helfen, ein Verständnis aufzubauen. Vor allem an Stellen, die eher selten genutzt werden, muss das erneute Erlernen erleichtert werden.

Um die Freiheiten, die der Bediener beim Umgang mit dem System hat, geht es bei dem nächsten Prinzip. Die sogenannte Steuerbarkeit verlangt, dass der Bediener selbst entscheiden kann, wie er mit dem System interagiert. So sollten z.B. Richtung und Geschwindigkeit von aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten beeinflussbar sein. Soweit technisch möglich, sollte der Nutzer einen oder mehrere Schritte zurück gehen oder auch Eingaben abbrechen dürfen und später die Aufgabe an der gleichen Stelle fortsetzen können.

Falls der Bediener dabei fehlerhafte Eingaben macht, muss er trotzdem in der Lage sein, das beabsichtigte Arbeitsergebnis mit minimalem Korrekturaufwand zu erreichen. Diese sogenannte Fehlertoleranz fordert auch, dass der Bediener sofort erkennen können muss, wenn sich Fehler ereignen, inklusive aller nötigen Informationen, um die Fehler auch beheben zu können. Das gilt vorbeugend vor allem an Stellen, an denen häufig Fehler gemacht werden. Besonders kritische Eingaben, die zu schwerwiegenden Fehlern führen können, sollten mit Bestätigungen durch den Nutzer abgesichert werden. Ein Beispiel für den Umgang mit Fehleingaben zeigt die folgende Abbildung:

In der Darstellung ganz links wurde durch den Nutzer eine Eingabe getätigt, die außerhalb eines gültigen Werteintervalls lag. Um Fehlproduktion zu vermeiden, nimmt die Maschine diese Eingabe gar nicht an und zeigt dem Nutzer als Hilfestellung das gültige Intervall direkt über der Eingabe an (Mitte, rechts).

 

Generell sollte der Bediener in der Lage sein, das HMI so anzupassen, dass es zu seinen individuellen Fähigkeiten und Bedürfnissen passt. So können z.B. Funktionen oder Elemente sortierbar oder austauschbar sein. Darüber hinaus muss das steigende Erfahrungslevel eines Nutzers berücksichtigt werden. Das System muss sowohl das anfängliche Kennenlernen als auch den professionellen Umgang von erfahrenen Nutzern optimal unterstützen. Meldungen und Hinweise des Systems sollten sich deshalb in Umfang und Tiefe dem Wissen des Bedieners anpassen. Diese Anforderung ist im Dialogprinzip der Individualisierbarkeit festgehalten.
Grundsätzlich gilt für alle der sieben Prinzipien: Sie müssen im Zusammenspiel miteinander vor dem jeweiligen Anwendungshintergrund und den technischen Möglichkeiten betrachtet werden.

User Centered Design Prozess – der Weg zum intuitiv bedienbaren HMI

Neben der Definition des Zielzustandes in Form der Dialogprinzipien beschreibt die DIN EN ISO 9241 auch den Weg hin zu einer intuitiven Steuerung. Der sogenannte User Centered Design Prozess (siehe folgende Abbildung) minimiert das Risiko, eine Lösung an den Bedürfnissen und Anforderungen der Nutzer vorbei zu entwickeln. Vielmehr wird der Nutzer systematisch mit einbezogen. Neben der “Mensch”-Zentrierung zeichnet sich der Prozess durch drei wesentliche Merkmale aus:

  1. Der User Centered Design Prozess ist ein iterativer Prozess, der sich in einzelne Phasen gliedert. Die einzelnen Phasen werden so oft hintereinander durchlaufen, bis das Produkt die festgelegten Anforderungen erfüllt.
  2. Der Prozess setzt auf interdisziplinäre Teams. Neben Usability-Experten und UX-Designern gehören Vertreter aus dem Produktdesign, der Software-Entwicklung, aber auch aus dem Marketing zu einem typischen Projektteam.
  3. Die Arbeitsergebnisse entstehen in den einzelnen Phasen mittels definierter Methoden, die eng mit dem Design Thinking verwandt sind. Wichtig dabei ist der prototypische Ansatz, mit dem Änderungen und Weiterentwicklungen schnell umsetzbar und evaluierbar sind.


Der nutzerzentrierte Gestaltungsprozess nach DIN ISO 9241, Teil 210

 

Die wichtigste Phase im User Centered Design Prozess ist die Analysephase, auch User Research genannt. In dieser Phase wird nachweislich etwa die Hälfte des Nutzens für ein gebrauchstaugliches HMI geschaffen. Der Grund dafür wird mit Blick auf die Definition des Begriffs Usability schnell klar. Denn ausschlaggebend dafür sind der Nutzer, seine Aufgaben und der Nutzungskontext, also die (physische, soziale, organisationale …) Umgebung, in der das Produkt benutzt wird. Genau diese Inhalte werden im User Research erarbeitet.

Dazu werden der Nutzer und seine Bedürfnisse analysiert – am besten direkt in seiner Arbeitsumgebung. Es wird beobachtet, wie das Produkt bisher eingesetzt wird und wie im Detail der Arbeitsprozess abläuft. Im Beispiel aus der Lebensmittelindustrie wurden dazu mehrere sogenannte Kontextanalysen in Industrieanlagen und Handwerksbetrieben realisiert. Die Usability Consultants haben dem Personal dazu „über die Schulter“ geschaut und im Anschluss durch Interviewfragen ihre Erkenntnisse vertieft.

Die Erkenntnisse aus dem User Research werden im nächsten Schritt in Form von beispielsweise Nutzungsanforderungen, User Stories oder Personas spezifiziert. Dies dient als Grundlage für die Gestaltung erster Konzepte und Skizzen der neuen Oberfläche.

Im Anschluss werden diese dann schrittweise verfeinert und ausgebaut. Wichtig dabei: Vertreter der Zielgruppe sollten möglichst häufig und direkt involviert werden. So können im Rahmen von sogenannten Usability Tests Konzepte direkt mit Nutzern evaluiert werden. Dadurch kann sehr schnell und einfach sichergestellt werden, dass das künftige Produkt die Bedürfnisse der Zielgruppe optimal erfüllt.

Die Implementierung: Welche technologischen Anforderungen stellt eine intuitiv bedienbare Steuerung?

Bei der Auswahl der passenden Technologien – egal ob Hard- oder Software – ist es von zentraler Bedeutung, möglichst früh in der Entwicklung alle beteiligten Fachdisziplinen einzubeziehen. Die Vorteile davon liegen auf der Hand: Einerseits können die Experten für User Experience und Usability Anforderungen in den Prozess einbringen, die es für eine intuitive Steuerung zu beachten gilt. Andererseits wirkt sich natürlich auch die Technologieauswahl direkt auf ihre Arbeit aus.

In der Theorie gilt dabei: Mit jeder Technologie lassen sich grundsätzlich intuitiv bedienbare Steuerungen erstellen. Dazu werden die technischen Rahmenbedingungen in der Planungsphase explizit thematisiert und auch in der begleitenden Evaluation immer wieder geprüft, ob die Konzepte und Gestaltungen technisch machbar sind.

In der Praxis zeigt sich jedoch, dass die Erwartungen bei den Nutzern an eine moderne Steuerung steigen. Vor allem die jüngere Generation ist durch den Umgang mit hochaufgelösten Smartphone- und Tablet-Displays im privaten Umfeld daran gewöhnt, dass Grafiken gestochen scharf sind und Multitouch-Gesten zur Interaktion benutzt werden können. Sie entwickeln dadurch eine konkrete Vorstellung davon, wie digitale Interfaces generell bedient werden. Dies kommt besonders im Arbeitskontext zum Tragen, wenn Maschinen digital gesteuert werden sollen. Ein gelungenes Beispiel dafür zeigt die folgende Abbildung:


Tablets mit modernen Touch-Interfaces sind in vielen Berufen bereits zu wichtigen Werkzeugen geworden. Hier gezeigt am Beispiel eines mobilen Videozentriersystems für Optiker auf iPad-Basis.

 

Um auch bei der visuellen Attraktivität mit Consumer Hardware mithalten zu können, sollten die eingesetzten Technologien für die Entwicklung der HMIs möglichst wenig Einschränkungen bei der Verwendung von Grafiken und der Erstellung eigener Steuerelemente mit sich bringen. So sollten z.B. Transparenzen, Rundungen und Schatten möglich sein. Auch Animationen sind sehr wichtig, um ein lebendiges, modernes Interface zu schaffen, das dem Nutzer für jede Eingabe ein eindeutiges Feedback liefert.

Noch essentieller als die visuellen Aspekte sind für die effiziente Benutzung die konzeptuellen Freiheiten, die eingesetzte Front End Frameworks und Grafik-Bibliotheken zulassen. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Technologie bei der Implementierung eines konkreten Bedienkonzeptes möglichst viel Flexibilität bietet. So sollten der Aufbau einzelner Seiten und deren logische Verknüpfung mit möglichst vielen Freiheitsgraden umsetzbar sein und keinem starren Schema folgen. Einzelne Controls, die von Bibliotheken bereitgestellt werden, sollten nicht nur im Aussehen, sondern auch im Verhalten und den angebotenen Interaktionen (mit wenig Aufwand) beeinflussbar sein. So sollten z.B. Tabellen nicht nur im Aussehen anpassbar, sondern auch so konfigurierbar sein, dass sie vom Nutzer individuell sortiert und gefiltert werden können.

In Zukunft wird durch den technischen Fortschritt die Interaktion mit Maschinen und Geräten noch vielfältiger werden. Augmented und Virtual Reality, aber auch Interaktionen mit Gesten und Sprache werden in der einen oder anderen Form auch im Industrie-Umfeld Einzug halten. Die Notwendigkeit der stetigen Anpassung und Erweiterung sollte deshalb allen Beteiligten klar sein.

Eine Optimierung der User Experience und Usability sind eine Investition in den Markterfolg von Produkten

Mit dem wachsenden Stellenwert der digitalen Transformation werden klassische Industriezweige immer stärker mit Informationstechnologie durchsetzt. Damit gewinnen die digitalen Mensch-Maschine-Schnittstellen und ihre effiziente Bedienung an Bedeutung. Mit gezieltem Usability Engineering kann dieses Potential optimal ausgeschöpft werden. Intuitive, einfach erlernbare HMIs sparen Zeit, minimieren Fehlerquoten und senken den Anlernaufwand für das eingesetzte Personal in der industriellen Fertigung.

Dabei gilt: Je konsequenter der User Centered Design Prozess eingehalten wird, desto größer sind die wirtschaftlichen Vorteile, sowohl auf Seiten des Herstellers, als auch für die Nutzer.

Das Nutzerfeedback ermöglicht es, schon während der Produktentwicklung Änderungen und Optimierungen einzuarbeiten. Das kann entsprechend kostengünstig passieren, verglichen mit Änderungen und Anpassungen nach bereits erfolgter Implementierung.

Intuitive HMIs spielen ihre Vorteile voll aus, wenn sie nicht als Insellösung betrachtet werden, sondern produktübergreifend eingesetzt werden. So können Nutzer ihr Bedienwissen auf andere Maschinen übertragen und es sinken die Entwicklungskosten, wenn Unternehmen Ihre gesamte Maschinenpalette mit einer konsistenten HMI-Familie ausstatten.

Der positive Nebeneffekt einer geräteübergreifenden HMI-Familie: Sie stärken die Wahrnehmung der Marke.