Tekerlek tabanlı, düşük maliyetli yenilenebilir Braille ekran
(jacquesmattheij.com)- Mevcut yenilenebilir Braille ekranlarda fiyat ve erişilebilirlik büyük engeller olduğundan, Jacques Mattheij ve Mahmoud Al-Qudsi tekerlek tabanlı düşük maliyetli bir yapıyı kavram kanıtı olarak denedi
- Tasarımdaki temel zorluk, nokta çapı 1,6 mm, nokta aralığı 2,5 mm, hücre genişliği 7,6 mm gibi Braille standartlarının içine küçük bir mekanik tahrik sistemini güvenilir biçimde yerleştirmekte yatıyor
- Tükenmez kalem tıklama tipi pim, kilometre sayacı tipi kam ve 3 bitlik küçük tekerlek aşamalarından geçilerek, tek bir tekerlekte 64 adet 6 noktalı Braille kombinasyonunu taşıyan büyük karakter tekerleğinde çalışabilirlik doğrulandı
- Kalıcı mıknatıs, röle bobini, H-bridge, 3 fazlı step motor ve iç bobin yapıları sırasıyla test edildi; son prototip hem yavaş hem hızlı adımları gerçekleştirebiliyor ve sessiz, yeterli torka sahip bir duruma ulaştı
- Bu henüz bir ürün değil, kavram kanıtı aşamasında; gerçek ürüne dönüşmesi için üretilebilirlik, malzemeler, elektromanyetik tasarım, maliyet düşürme, ömür, servis edilebilirlik ve güç tüketimi optimizasyonu hâlâ çözülmeli
Düşük maliyetli Braille ekran yapmak neden zor
- Mahmoud Al-Qudsi bir süredir aralıklı olarak ucuz ve yapımı kolay bir Braille okuyucu geliştiriyordu; 8 kod içeren sekizgen bir tekerlek kullanan bir cihaz için patent de almıştı
- Hassas seri üretim cihazlarının çok ucuzladığı bir çağda ucuz Braille okuyucuların fiilen bulunmaması çıkış noktası
- Cihazlar pahalı, kırılgan ve temini zor
- Dünya genelinde yaklaşık 40 milyon görme engelli var; yalnızca gelişmekte olan ülkelerde değil, gelişmiş ülkelerde de okuyuculara erişim sınırlı
- Braille, teknik uygulama kolaylığından çok parmakla kolay okunabilirlik temel alınarak tanımlandığı için, ekran uygulamasında çok küçük mekanik parçaları hassas biçimde hareket ettirmeyi gerektiren mekanik bir sorun ortaya çıkıyor
- Standartta verilen ölçüler şöyle
- Nokta çapı: 1,6 mm
- Noktalar arası mesafe: 2,5 mm
- Hücre genişliği: 7,6 mm
- Satır yüksekliği: 10 mm
- En ucuz 40 hücreli 8 noktalı ekran bile yaklaşık 700 dolar, nokta başına yaklaşık 2 dolar seviyesinde; çoğu ürün bundan çok daha pahalı
- Hedef fiyat hücre başına 5 dolar olarak belirlendi; düşük maliyetli malzemeler, özel takım gereksinimini en aza indirme ve kolay üretim önemli koşullar olarak alındı
Mevcut pazar ve tasarım ölçütleri
- Mevcut cihazların çoğunda tasarım, fiyattan çok kullanılabilirlik ve dayanıklılığı öncelemiş; fiyat hedefi olan ürünlerde de gerçek fiyatın hedefi büyük ölçüde aştığı örnekler var
- American Foundation for the Blind'in genel bakış yazısı cihaz fiyatlarını 3.500–15.000 dolar olarak aktarıyor, ancak rekabetçi fiyatlı Orbit 20'nin listede olmaması tuhaf bulunuyor
- Örnek verilen ürünler, fiyatları ve özellikleri
- Orbit 20: 17×11×3 cm boyutunda, rekabetçi fiyatlı olarak anılıyor
- Brailliant BI 40X: “Gold Standard” olarak anılıyor ve yaklaşık 3.500 euro
- Canute: 1.900 sterlin; hücre sayısına göre çok ucuz, ancak çok gürültülü ve yavaş
- Ayrıca Canute'un sonradan Mahmoud'un tekerleğini kullanıyor gibi göründüğü belirtiliyor
- Orbit 20'nin hücre başı fiyatı 35 dolar kabul edilirse, 1980'lerin metin terminaline denk gelen 80×25 sınıfı bir cihaz yaklaşık 70.000 dolar ediyor
- Hücre başına fiyat aralığı düşük uçta Canute'un 7 doları, yüksek uçta ise 100 dolar civarında
- MVP için önemli koşullar şunlar
- Parmak, saç, giysi ve takıların tehlikeye girmemesini sağlayan güvenlik
- Düşük gürültü, düşük ağırlık, uzun elektriksiz kullanım, standart yazılım ve kullanım senaryoları desteği
- Nokta yüksekliği, aralığı ve hizalamasının tutarlı olması; dokunulduğunda noktaların hareket etmemesini sağlayan karakter kalitesi
- Uzun ömür, az sayıda hareketli parça, suya ve toza dayanıklılık, kolay onarım
- USB-C güç, düşük güç tüketimi, yaklaşık 0,5 Hz güncelleme hızı
- Taviz verilmeyecek kalemler karakter kalitesi, karakterler arası mesafe, doğru karakter gösterimi, tam 6 bitlik küme ve gürültü seviyesi
Mekanik fikirlerden tam karakter tekerleğine
- İlk deney, her nokta için tükenmez kalem tıklama tipi mekanizma kullanma yöntemiydi
- Avantajlar: ucuz, kilitleniyor ve kilitlendikten sonra güç tüketmiyor
- Dezavantajlar: gürültülü, hacimli, 2,5 mm nokta aralığına sığdırması zor ve parça sayısı fazla
- 4:1 ölçekte 6 düşük maliyetli geri çekilebilir kalemle test edildi, ancak minyatürleştirme ve ömür sorunları ortaya çıkınca rafa kaldırıldı
- İkinci eksen, otomobillerdeki mekanik kilometre sayaçları gibi tekerlekleri yan yana koyup Braille'i kamlarla ya da noktaların kendisiyle gösterme yöntemiydi
- Kam ve yaylı pim yöntemi, aşınma ve yüksek hassasiyetli parçaların sıkışık yerleşimi nedeniyle pahalıya çıkma ihtimali taşıyor
- Noktalar doğrudan tekerlek yüzeyine yerleştirilirse itme çubuğu, kızak ve ayrı pim gerekmediğinden parça sayısı azalıyor
- 3 bitlik tekerlek deneyinde, bir tekerlekte mümkün kombinasyonları üst üste bindirerek gereken dönüş miktarını azaltma yöntemi denendi
- 3 nokta kombinasyonunun 8 yüzeye ayrı ayrı konması durumunda 360 derecelik tam dönüş gerekiyor
- Kombinasyonlar örtüşecek şekilde yerleştirilirse tüm desenler 120 derecelik bir aralığa sığabiliyor ve istenen desene ulaşmak için en fazla 1/6 tur hareket etmek yeterli oluyor
- Daha ince tekerlek deneyinde tekerlek genişliği 2,6 mm'ye kadar düşürüldü ve nokta aralığı standarda yakın düzeye getirildi
- Ancak 1:1 ölçekte çözünürlük o kadar yetersizdi ki noktaları gözle ayırt etmek bile zordu
- Daha sonra tasarım, 6 noktalı Braille'in tüm 64 kombinasyonunu tek bir tekerleğe yerleştirme yöntemine döndü
- Minimum nokta aralığı 2,3 mm, nokta çapı 1,5 mm kullanılırsa 64 konum için gereken doğrusal uzunluk 147 mm
- Bu hesapla tekerlek çapı yaklaşık 46 mm oluyor
- Avantajı, tahrik sorununun basitleşmesi: tek tekerleği indeksleyip ilgili konuma çevirmek yeterli
- Dezavantajı, satır aralığının ve toplam cihaz boyutunun büyümesi
- 46 mm tekerlek temel alındığında 80×10 satırlık bir ekran yaklaşık 61 cm genişliğinde, 46 cm yüksekliğinde oluyor; 40×10 ise büyük bir dizüstü bilgisayar alanına yaklaşıyor
Elektromanyetik tahrik deneylerinin evrimi
- Tam karakter tekerleğinde nihayetinde temel sorun tahrik sistemi ve kilitleme yapısı olarak kaldı
- Dişli, sonsuz dişli, motor, kavrama ve taşıyıcı yöntemleri maliyet, aşınma, gürültü ve tekil arıza noktası sorunları taşıyor
- Karakter konumu azıcık oynasa bile yanlış okuma olabileceğinden, tahrik sistemindeki boşluğun kavramı başarısız saymak gerektiği değerlendirildi
- Tekerleği step motor rotoru gibi kullanma fikri devam etti
- Başta 4 bobin ve 8 mıknatısla 32 adım/tur yarım adım çalışması test edildi
- İlk taslakta bile çalıştı ve yarım adım modunda saniyede 200 adım, yaklaşık 3,5 tur/saniye seviyesine ulaştı
- İstenen karakter her zaman en fazla yarım tur uzakta olduğundan güncelleme süresi yaklaşık 1/7 saniye olarak hesaplandı
- 16 mıknatıslı daha doğru sürüm başlangıçta çalışmadı, ancak bir bobinin toprağının içeride kopuk olduğu anlaşılınca çalıştı
- Radyal mıknatıs yerleşimi biraz daha iyi çalıştı; daha düşük voltajda başladı ve daha hızlı kararlı hâle geldi
- Cihaz o kadar sessizdi ki kulağı yaklaştırınca bile duyulmuyordu
- Mıknatıs ve bobin yapısında hava aralığı (airgap) sürekli temel sorun olarak öne çıktı
- Hava aralığı mıknatıs kalınlığına yakın olacak kadar büyükse manyetik alanın çoğu kaçıyor
- Cıvata uçları mıknatıslara daha yakın olacak şekilde taşlanınca tork farkı belirgin biçimde arttı; 7 V·0,6 A'da 700 adım/saniye, 8 V·0,7 A'da 1000 adım/saniye elde edildi
- 3 fazlı step motor yöntemi de test edildi
- L293 ile 3 fazlı sürüş kuruldu; 16 mıknatıslı tekerlek önceye göre daha fazla tork üretti, daha yumuşak hızlandı ve denetleyici çıkışının yalnızca 3 bitini kullandı
- Bobin gerilimi 3 V iken bile dönmeye başladı; bu, önceki 4 bobinli sürüşün 5,5–6 V seviyesinden daha düşüktü
- 250 adet 2×1 mm neodimyum mıknatıs da denendi
- Tek bir mıknatısın yaklaşık 0,2 g olduğu tahmin ediliyor; 35 g'ı kolayca kaldırarak kendi ağırlığının yaklaşık 175 katını taşıyor
- Ancak çok küçük oldukları için montaj ve kutup kontrolü çok zor; 64 mıknatısı tekerleğe elle yerleştirmek hataya açık ve zahmetli
- Son büyük dönüşüm, bobinleri tekerleğin içine taşıyan yapı oldu
- İç bobin ve karmaşık stator parçaları, mıknatısların yaklaşık %90'ını kullanacak şekilde tasarlandı
- İlk iç bobin sürümü, açı hesaplama hatası ve cıvata çıkıntısı sorunlarının ardından yeniden işlendi
- Yeniden işlendikten sonra hem yavaş hem hızlı adımlar mümkün oldu; torku yüksek ve önceki gibi sessiz çalışıyor
Sonuç ve kalan işler
- Son durumda “large wheel” yöntemi, buluş açısından tamamlanmış; geriye kalanlar mühendislik sorunları olarak özetlenmiş
- Başlangıçtan sonra geçen süre 16 gün
- Gerçekte harcanan zamanı açıklamak istemediğini söylüyor
- Prototip standart karakter genişliğini, doğru hizalamayı ve gerekli hareketi başardı
- 7,6 mm karakter genişliğinin karşılandığı an, ana zorluğun aşılması olarak değerlendiriliyor
- Ancak tekerlek kesiti 46 mm, yüksekliği yaklaşık 64 mm; istenenden büyük
- Maliyet tahmini, mekanik ve elektromekanik parçalar bazında yaklaşık 2 dolar
- Rulmanın seri üretimde yaklaşık 0,10 dolar olacağı tahmin ediliyor
- Mıknatıslar mevcut miktarlarda adet başına 0,20 dolar; seri üretimde adet başına 0,02 dolara kadar düşebilir
- Mıknatıs maliyeti yaklaşık 1,30 dolar, bakır tel 0,50 dolar, çelik birkaç sent, plastik yaklaşık 0,20 dolar olarak hesaplanıyor
- Elektronik parçalar ve montaj için hedef bütçede 3 dolar kalıyor
- Gerçek ürüne geçiş için şu optimizasyonlar gerekiyor
- Boyut, maliyet, güç tüketimi, ömür, hareket torku, tutma torku
- Üretilebilirlik, malzeme seçimi, elektromanyetik tasarım, montaj otomasyonu
- Hücre değişimi ve onarım gibi servis edilebilirlik
- Sonraki olası yönler arasında 3 bitlik tekerlekleri yan yana kullanma yöntemi ve matris tabanlı ekranın yeniden ele alınması var
- Dışarıda da benzer tekerlek tabanlı yaklaşımlar görülüyor
- Utopia Mechanicus'un 2017 Braille ekranı tekerlek ve pencere yapısıyla neredeyse ikiz gibi görünüyor
- Fark, tahrik sistemi ve kod hizalama yöntemi; bu tasarımın fazla boşluklu ve pahalı olacağı düşünülüyor
1 yorum
Hacker News yorumları
Görme engelli biri açısından bakınca gürültü, güç tüketimi ve dayanıklılık oldukça büyük ölçüde taviz verilebilecek unsurlar.
Okulda ve üniversitede bir Braille ekranım olsaydı, matematik konularında çok daha az zorlanırdım. Düzgün çalıştığı ve ucuz olduğu sürece birçok kişi için büyük bir ilerleme olur.
Güç, mevcut ekranlarla karşılaştırıldığında o kadar pahalı bir unsur değil; gürültü azaltılabilir ya da sadece katlanılabilir, önemli parçalar da iyi bakımla korunabilir. Daha zor olan taraf, parayı harcatmak.
Ekran okuyucular düz metin ve GUI’de gezinme için mükemmel, ama formüller gibi çok boyutlu nesneler elle dokunulabildiğinde daha kolay anlaşılıyor.
3D yazıcıdaki gibi bir XY gantry olduğunu, eksenlerin serbestçe hareket ettiğini ve cihazın kullanıcının hareket ettirdiği koordinatları okuduğunu hayal edebiliriz. İçinde stylus’u Z ekseninde hareket ettiren küçük bir servo motor olur; bir görüntüye bakarken beyaz aşağı, siyah yukarı olarak eşlenir.
Böylece basit 2D grafikleri, hatta belki formülleri bile “görmek” mümkün olur. XY gantry’de kuvvet geri beslemeli motorlar kullanılıp stylus’un çizgi üzerinde kalmasına hafifçe yardım edilirse kullanılabilirlik de artar gibi.
Böyle bir şey yaklaşık 200-300 dolar civarına mümkün görünüyor.
Ekrana dokunulan ya da okunan konuma göre sesiyle tamamlayan bir sistem gibi.
Büyük şirket CTO’larını uykusuz bırakan inovasyon anlatısı için güzel bir örnek.
Çok zeki bir dışarıdan gelen kişi; kâğıt-kalem, bilgisayar, 3D yazıcıya sahip olup AliExpress teslimatı yapılan bir yerde yaşıyorsa, teori, deney ve uykusuzluk arasında gidip gelerek birkaç hafta içinde yıkıcı bir kavram kanıtı ortaya çıkarabilir.
Umarım bu proje gerçekten başarılı olur ya da başkalarına ilham verip Braille okuyucuları ucuzlatmalarını sağlar.
[0]: Bu projenin ilhamı 48 gün önce başladı: https://news.ycombinator.com/item?id=39159476
https://news.ycombinator.com/user?id=jacquesm
Bu yazının bilim fuarı havasını seviyorum.
Şahsen, oldukça büyük motorlu tekerlek yaklaşımına geçmeden önce daha fazla seçeneğe bakardım. Aklıma gelenlerden biri, 80’ler-90’ların küre tipi elektrikli daktilolarını yeniden kullanmak; kürenin üzerinde kabartma harfler vardı ve zaten yüksek hassasiyetli konum kontrolü içeriyordu.
Bir diğeri mikroakışkan ekran. Telefon üreticilerinin 2010’ların başında ekran klavyeleri için dokunsal geri bildirim amacıyla denediği yöntemdi. Arayınca University of Michigan’dan bir ekibin 8 yıl önce tam olarak bunu Braille ekranı için kullandığını [1] ve şu anda bunun bir şirkete dönüşme aşamasında olduğunu gördüm.
10 yıl önce “popup” dokunmatik ekran üzerinde çalışan şirket Tactus’tu [2]. Elektromekanik tarafta ise zaten bir açık kaynak hareketi var ve oldukça ilginç sonuçlar da görünüyor [3].
[1] https://www.youtube.com/watch?v=0fIg4rI4cDw
[2] https://www.youtube.com/watch?v=JelhR2iPuw0
[3] https://www.youtube.com/watch?v=BXi1tG78AW4
Çok küçük iğne delikleri açıp bu deliklerden hava üflemek de mümkün olmaz mı?
Delik boyutu ve hava akışı, parmak ucuyla belirgin şekilde hissedilecek biçimde ayarlanabilirse, çok daha büyük ve uzakta duran valflerle de sürülebilir; böylece mekanik parçaların bu kadar mikroskobik ve hassas olması gerekmez.
Sonuçta yalnızca bir şey hissetmek gerekiyor; gerçekten o noktada fiziksel bir nesne olmasına gerek yok. Bir noktaya voltaj, kapasitif yük ya da sinyal verip orada bir varlık hissi oluşturmak mümkün olabilir mi?
“Pürüzsüz bir yüzeyin engebeli hissedilmesi” sezgisel olarak tuhaf, ama gerçekte daha tuhaf şeyler de oldu.
Mümkün olursa tüm cihazda katı hareketli parça olmaz ve tek bir büyük 3D baskı parçası olarak üretilebilir. İstisna olarak noktaları akışkan basıncıyla yukarı kaldıran büyük bir kauçuk membran, basınç kaynağı ve görüntü verisini girmek için elektronikle bağlanan valfler olur.
Ya da akışkan mantığıyla büyük bir shift register yapıp, her bit için bir yükselteç koyarak her noktaya çıkış verilebilir.
Zor olan, akışkan mantığının altın çağında geliştirilen cihazların, daha küçük cihazlarda ortaya çıkan düşük Reynolds sayılarında çalışmaması. Yeni mikroakışkan alanındaki teknikler mümkün kılabilir; ama elle hissedilecek ya da kauçuk membranı kaldıracak kadar basıncı kontrol edip edemeyeceklerinden emin değilim.
Bildiğim kadarıyla ticari ürün olarak yok; olsa bile fiyatı çok yüksek olurdu. Sonuçta düşük üretim maliyetine uygun, bilinmeyen bir yöntemle yeniden tasarlamak gerekir.
Valflerin çoğu elektromanyetik, yani solenoid tabanlı çalıştığı için elektriksel kontrol sorunu da var. Genel olarak cazip bir çözüm yolu değil.
PCB tabanlı tasarımın seri üretilebilirlik tasarımı için daha iyi olacağını düşünüyorum
Carl Bugeja’nın çalışmalarına bakılabilir
https://www.youtube.com/watch?v=oa6sP-joAr8
Motorlar, solenoidler, elektromekanik frenler, compliant mekanizmalar gibi seçenekler var
Ancak bu alan epey uç bir kullanım durumu olduğu için kamuya açık biçimde geliştirilmesi nadir; elektrik ve kontrol gereksinimleriyle fiziksel gereksinimler, elektromanyetik yoğunluk, parça seçimi, üretim süreci ve maliyet arasında denge kurma meselesi hâlâ duruyor
Her “noktayı” küçük bir mıknatısın üzerine yerleştirip, bobin içeren bir PCB ile sürme yöntemi
Eskiden benzer bir konseptle bir Braille ekran prototipi yapmıştım; dönen tekerlekler yerine her sütunda doğrusal kaydırıcılar kullandım
Ne yazık ki projede başka işlere saptım ve aktüatörleri takmanın en iyi yolunu sonunda bulamadım
Tasarımımın tek bir levhanın lazerle kesilerek üretilebilmesi ve yapıştırıcı ya da bağlantı elemanı olmadan monte edilebilmesiyle gurur duyuyordum. Elbette kaydırıcıları sürmek için gereken mekanizma hariç
Görsel: https://retr0.id/media/38116918-4023-437b-9a48-d2ffb1d02dbf/...
Kısa demo videosu: https://twitter.com/David3141593/status/1639261097252233220 Video açıklamasında sürtünmenin fazla olduğu yazıyor, ama zımparaladıktan sonra tamamen sorunsuzdu
Başka bir fikir de gerçek dokunsal noktalar yerine uygun boyut ve konumdaki iki temas noktası arasına voltaj uygulayıp bunun parmak ucuyla hissedilmesini sağlamak
Rahatsız edecek kadar yüksek olmamalı ve normal bir PCB gibi üretilebilir
Muhtemelen farklı noktalar arasında akım akmayıp parmak akımının yalnızca her noktanın küçük alanı içinde kalması için noktalar arasındaki voltajı çoklamak gerekir
Çünkü kullanıcı bunu neredeyse her gün saatlerce kullanacak
Bu yazıyı okurken, iş için uygun olmayan bir yazıcı kullanıldığı hissine güçlü biçimde kapılıyorum
Bu tür parçalar reçine yazıcılara doğal olarak uygun. #8’deki hizalama yarıkları reçine yazıcıyla güvenilir şekilde yapılabilir ve nokta kalitesinin de daha iyi olacağını düşünüyorum
Üstelik reçine yazıcının baskı hızı parça hacmine değil Z ekseni yüksekliğine bağlıdır. Dolayısıyla yatağa sığdığı kadar çok tekerleği, tek bir tekerlek basmakla aynı sürede çıkarabilirsiniz; reçine yazıcıda bu muhtemelen yaklaşık 10 dakika sürer
Reçine, filament baskıya kıyasla malzeme özellikleri açısından çok daha geniş seçenekler sunar; bu kullanımda en tok baskı reçinesi herhangi bir filamentten daha güçlü olur ve parça ömrünü de uzatır
Süreci oturttuktan sonra katmanlar hâlinde basıp çıkarabilir, sonra da demetleyip UV ile kürleyebilirsiniz. Makineye daha sık bakmanız sorun değilse mıknatıslı bir aparat da kullanabilirsiniz; böyle bir plakada parçalar adeta zıplayarak çıkacaktır
#8 nedeniyle, hizalama spoke’ları için yazıcı hassasiyeti sorunu yüzünden oldukça büyük bir görev ortaya çıkmış gibi okunuyor; reçine yazıcıyla bu tasarımı daha derinlemesine keşfedebilirsiniz
Başka bir yaklaşım olarak, sağ taraftan kabartma Braille noktalarının işlenebileceği bir kumaş döngü oluşturup bu döngüyü sola doğru çekmek düşünülebilir
Kayan LED tabela gibi okunur; sadece üzerinde çıkıntılı noktalar olan bir kumaş kayış olur
Mekanik olarak en basit yöntem, nitinol teli dikey yönde, yani atkı ipliğine paralel yerleştirmek olabilir. Bir Braille karakteri basmak için iki nitinol teli bastırıp doğru konumlarda çıkıntılı noktalar oluşturur, ardından kumaş kayışı sola hareket ettirirsiniz
Gösterim bölümünün altında gizlenen dönüş hattında nitinol teller eski hâline döndürülebilir
Ya da kumaş üzerine kolayca çözülebilen düğümler koyabilen herhangi bir teknik denenebilir. Braille noktaları için kumaş kayışın arasından bir ilmeği yukarı itip, dönüş yolunda tekrar geri çekmek kadar basit bir yöntem de olabilir
Bir şeyi kaçırmıyorsam, bu yazı 6 noktalı Braille hücresi varsayıyor gibi görünüyor
Ancak şimdiye kadar kullandığım tüm Braille ekranlar 8 noktalı hücre kullanıyordu ve bu standarda bilgisayar Braille’i deniyor