Pantalla braille actualizable de bajo costo basada en ruedas
(jacquesmattheij.com)- Como las pantallas braille actualizables existentes tienen grandes barreras de precio y acceso, Jacques Mattheij y Mahmoud Al-Qudsi experimentaron con una estructura de bajo costo basada en ruedas como prueba de concepto
- La principal dificultad del diseño está en insertar de forma confiable un pequeño tren mecánico dentro de las especificaciones braille, como diámetro de punto de 1.6 mm, separación entre puntos de 2.5 mm y ancho de celda de 7.6 mm
- Tras pasar por pines tipo clic de bolígrafo, levas tipo odómetro y pequeñas ruedas de 3 bits, se confirmó la viabilidad en una rueda grande de caracteres que contiene las 64 combinaciones braille de 6 puntos en una sola rueda
- Se probaron sucesivamente imanes permanentes, bobinas de relé, H-bridge, stepper trifásico y una estructura de bobinas internas; el último prototipo puede dar pasos lentos y rápidos, y llegó a un estado silencioso y con suficiente torque
- Aún no es un producto, sino una prueba de concepto; para convertirlo en producto todavía faltan manufacturabilidad, materiales, diseño electromagnético, reducción de costos, vida útil, facilidad de servicio y optimización del consumo eléctrico
Por qué es difícil hacer una pantalla braille de bajo costo
- Mahmoud Al-Qudsi ha desarrollado de forma intermitente un lector braille económico y fácil de fabricar, e incluso patentó un dispositivo que usa una rueda octagonal con 8 códigos
- El punto de partida es que, incluso en una época en la que los dispositivos de precisión producidos en masa se han vuelto muy baratos, prácticamente no existen lectores braille económicos
- Los dispositivos son caros, frágiles y difíciles de conseguir
- Hay alrededor de 40 millones de personas ciegas en el mundo, y el acceso a lectores es limitado no solo en países en desarrollo, sino también en países desarrollados
- El braille se define por una forma fácil de leer con los dedos, más que por la conveniencia de implementarlo tecnológicamente, lo que crea un desafío mecánico de mover con precisión piezas mecánicas muy pequeñas para una pantalla
- Las dimensiones indicadas por el estándar son las siguientes
- Diámetro del punto: 1.6 mm
- Distancia entre puntos: 2.5 mm
- Ancho de celda: 7.6 mm
- Altura de línea: 10 mm
- Incluso la pantalla de 40 celdas y 8 puntos más barata cuesta alrededor de 700 dólares, unos 2 dólares por punto, y la mayoría de los productos son mucho más caros
- Se fijó un precio objetivo de 5 dólares por celda, priorizando materiales de bajo costo, mínimo uso de herramientas especiales y fabricación sencilla
Mercado existente y criterios de diseño
- Muchos dispositivos existentes están diseñados priorizando la usabilidad y la durabilidad por encima del precio, y algunos productos que sí tenían metas de precio terminaron superándolas ampliamente en la práctica
- Un artículo introductorio de la American Foundation for the Blind cita precios de dispositivos de 3,500 a 15,000 dólares, pero se considera extraño que omita al Orbit 20, de precio competitivo
- Productos, precios y características mencionados como ejemplos
- Orbit 20: tamaño de 17×11×3 cm, mencionado por su precio competitivo
- Brailliant BI 40X: mencionado como “Gold Standard”, con un precio de unos 3,500 euros
- Canute: 1,900 libras, muy barato en relación con la cantidad de celdas, pero muy ruidoso y lento
- Se añade que Canute posteriormente parece usar la rueda de Mahmoud
- Si se toma el precio por celda del Orbit 20 como 35 dólares, un dispositivo de clase 80×25, equivalente a una terminal de texto de los años 80, costaría unos 70,000 dólares
- El rango de precio por celda va desde los 7 dólares del Canute en el extremo bajo hasta alrededor de 100 dólares en el alto
- Las condiciones importantes para un MVP son las siguientes
- Seguridad, de modo que dedos, cabello, ropa y joyería no corran peligro
- Bajo ruido, bajo peso, uso prolongado sin alimentación, soporte para software estándar y casos de uso comunes
- Calidad de caracteres, con altura, separación y alineación uniformes de los puntos, y puntos que no se muevan al tocarlos
- Larga vida útil, bajo número de piezas móviles, resistencia al agua y al polvo, reparación sencilla
- Alimentación USB-C, bajo consumo, velocidad de actualización de alrededor de 0.5 Hz
- Los aspectos en los que no se debe transigir son la calidad de caracteres, la distancia entre caracteres, la visualización correcta de caracteres, el conjunto completo de 6 bits y el nivel de ruido
De ideas mecánicas a una rueda de caracteres completa
- El primer experimento usó un mecanismo tipo clic de bolígrafo para cada punto
- Ventajas: barato, se bloquea y no consume energía una vez bloqueado
- Desventajas: ruidoso, voluminoso, difícil de encajar dentro de la separación de 2.5 mm entre puntos y con muchas piezas
- Se probó a escala 4:1 usando 6 bolígrafos retráctiles baratos, pero se dejó en pausa al aparecer problemas de miniaturización y vida útil
- El segundo eje fue colocar ruedas lado a lado, como en un odómetro mecánico de automóvil, y mostrar braille mediante levas o los propios puntos
- El método de levas y pines con resorte probablemente se encarecería por el desgaste y la concentración de piezas de alta precisión
- Si los puntos se colocan directamente sobre la superficie de la rueda, se reduce el número de piezas porque no hacen falta varillas de empuje, deslizadores ni pines separados
- En el experimento con ruedas de 3 bits se intentó reducir la cantidad de rotación colocando de forma superpuesta las combinaciones posibles en una rueda
- Si las combinaciones de 3 puntos se colocan por separado en 8 caras, hace falta una rotación completa de 360 grados
- Si las combinaciones se distribuyen con solapamiento, todos los patrones pueden caber incluso en un segmento de 120 grados, y solo hay que mover como máximo 1/6 de vuelta hasta el patrón deseado
- En un experimento con ruedas más delgadas, el ancho de la rueda se redujo a 2.6 mm y la separación entre puntos se ajustó a un nivel cercano al estándar
- Pero a escala 1:1 la resolución era tan insuficiente que los puntos eran difíciles de distinguir incluso a simple vista
- Luego el diseño cambió a un enfoque en el que una sola rueda contiene todas las 64 combinaciones braille de 6 puntos
- Con una separación mínima entre puntos de 2.3 mm y un diámetro de punto de 1.5 mm, la longitud lineal necesaria para 64 posiciones es de 147 mm
- En este cálculo, el diámetro de la rueda resulta de unos 46 mm
- La ventaja es que el problema de accionamiento se simplifica: basta con indexar una rueda y girarla hasta la posición correcta
- La desventaja es que aumenta la separación entre líneas y el tamaño total del dispositivo
- Con ruedas de 46 mm, una pantalla de líneas 80×10 tendría unos 61 cm de ancho y 46 cm de alto, mientras que una 40×10 sería cercana al área de una laptop grande
Evolución de los experimentos de accionamiento electromagnético
- En la rueda de caracteres completa, los problemas clave terminaron siendo el sistema de accionamiento y la estructura de bloqueo
- Engranes, tornillos sin fin, motores, embragues y sistemas de carro presentan problemas de costo, desgaste, ruido y punto único de falla
- Se determinó que, si la posición de los caracteres se movía aunque fuera un poco, podía haber lecturas erróneas, por lo que la holgura del sistema de accionamiento debía considerarse un fallo del concepto
- Continuó la idea de usar la rueda como rotor de un stepper
- Al principio se probó una operación de medio paso de 32 pasos/vuelta con 4 bobinas y 8 imanes
- Funcionó incluso en el primer borrador, y en modo de medio paso llegó a 200 pasos por segundo, unos 3.5 giros/segundo
- Como el carácter deseado siempre está a menos de media vuelta, el tiempo de actualización se calculó en aproximadamente 1/7 de segundo
- Una versión más precisa con 16 imanes no funcionó al principio, pero empezó a funcionar después de encontrar que la conexión a tierra de una bobina estaba cortada internamente
- La disposición radial de los imanes funcionó ligeramente mejor, arrancaba a menor voltaje y se estabilizaba más rápido
- El dispositivo era muy silencioso, al punto de que casi no se oía incluso acercando el oído
- En la estructura de imanes y bobinas, el entrehierro (airgap) se volvió repetidamente un problema central
- Si el entrehierro era tan grande como el grosor del imán, la mayor parte del campo magnético se escapaba
- Al limar la punta de los tornillos para acercarlos más a los imanes, la diferencia de torque aumentó mucho, y se alcanzaron 700 pasos/segundo a 7 V y 0.6 A, y 1000 pasos/segundo a 8 V y 0.7 A
- También se probó un esquema de stepper trifásico
- Se configuró un accionamiento trifásico con un L293, y la rueda de 16 imanes tuvo más torque que antes, aceleró con más suavidad y usó solo 3 bits de salida del controlador
- Incluso con un voltaje de bobina de 3 V empezó a girar, menos que los 5.5–6 V del accionamiento anterior de 4 bobinas
- También se experimentó con 250 imanes de neodimio de 2×1 mm
- Se estima que cada imán pesa unos 0.2 g, y puede levantar fácilmente 35 g, unas 175 veces su propio peso
- Pero son tan pequeños que el ensamblaje y la verificación de polaridad son muy difíciles, y colocar manualmente 64 imanes en la rueda implica alta dificultad y probabilidad de errores
- El último gran giro fue trasladar las bobinas al interior de la rueda
- Las bobinas internas y piezas de estator complejas se diseñaron para aprovechar alrededor del 90% de los imanes
- La primera versión con bobinas internas fue retrabajada tras errores de cálculo de ángulos y problemas de pernos sobresalientes
- Después del retrabajo, puede dar pasos lentos y rápidos, tiene mucho torque y funciona tan silenciosamente como antes
Resultados y tareas pendientes
- En el estado final, el enfoque de “large wheel” quedó cerrado desde el punto de vista de la invención, y lo restante se resumió como problemas de ingeniería
- Tiempo transcurrido desde el inicio: 16 días
- Dice que no quiere revelar el tiempo real invertido
- El prototipo logró un ancho de carácter estándar, alineación precisa y el movimiento necesario
- Alcanzar el ancho de carácter de 7.6 mm se considera la principal superación del desafío
- Sin embargo, con una sección de rueda de 46 mm y una altura de unos 64 mm, es más grande de lo deseado
- La estimación de costos para piezas mecánicas y electromecánicas es de unos 2 dólares
- Los rodamientos se estiman en unos 0.10 dólares en volumen
- Los imanes cuestan actualmente 0.20 dólares cada uno en las cantidades actuales, y podrían bajar hasta 0.02 dólares cada uno en volumen
- El costo de los imanes se calcula en unos 1.30 dólares, alambre de cobre 0.50 dólares, acero unos centavos y plástico alrededor de 0.20 dólares
- Queda un presupuesto objetivo de 3 dólares para electrónica y ensamblaje
- Para convertirlo en un producto real hacen falta las siguientes optimizaciones
- Tamaño, costo, consumo eléctrico, vida útil, torque de movimiento y torque de retención
- Manufacturabilidad, selección de materiales, diseño electromagnético y automatización del ensamblaje
- Facilidad de servicio, como reemplazo y reparación de celdas
- Entre las direcciones restantes, más adelante se podrían retomar el enfoque de usar ruedas de 3 bits lado a lado y una pantalla basada en matriz
- También se han confirmado enfoques externos similares basados en ruedas
- La pantalla braille de 2017 de Utopia Mechanicus parece casi gemela en su estructura de rueda y ventana
- La diferencia está en el sistema de accionamiento y el modo de alinear los códigos, y se considera que ese diseño tendría mucha holgura y sería caro
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Desde la perspectiva de una persona con discapacidad visual, el ruido, el consumo de energía y la durabilidad son factores en los que se puede transigir bastante
Si hubiera tenido un display braille en la escuela y la universidad, creo que habría sufrido mucho menos con los problemas de matemáticas. Si funciona bien y es barato, sería un gran avance para mucha gente
La energía no es un factor tan caro comparado con los displays existentes, el ruido se puede reducir o simplemente tolerar, y las piezas importantes se pueden cuidar bien. Lo más difícil es la parte de gastar dinero
Los lectores de pantalla son perfectos para texto común y navegación de GUI, pero los objetos multidimensionales como las fórmulas son más fáciles de entender cuando se pueden tocar con la mano
Se puede imaginar una estructura con un pórtico XY como una impresora 3D, donde los ejes se mueven libremente y el dispositivo lee las coordenadas que mueve el usuario. Dentro habría un pequeño servomotor que mueve un stylus en el eje Z, y al ver una imagen mapearía el blanco hacia abajo y el negro hacia arriba
Así se podrían “ver” gráficos 2D simples o quizá incluso fórmulas. Si se usaran motores con retroalimentación de fuerza en el pórtico XY para guiar ligeramente el stylus y mantenerlo sobre la línea, creo que también mejoraría la usabilidad
Algo así parece posible por unos 200 a 300 dólares
Sería una forma de complementarlo con voz según dónde se toque o lea el display
Es un hermoso ejemplo de la narrativa de innovación que les quita el sueño a los CTO de grandes empresas
Si una persona externa muy inteligente tiene papel y lápiz, una computadora, una impresora 3D y vive en un lugar al que llega AliExpress, puede ir y venir entre teoría, experimentación y falta de sueño, y crear en pocas semanas una prueba de concepto disruptiva
Ojalá este proyecto realmente salga bien, o inspire a otros a abaratar los lectores braille
[0]: La inspiración de este proyecto empezó hace 48 días: https://news.ycombinator.com/item?id=39159476
https://news.ycombinator.com/user?id=jacquesm
Me gusta la sensación de feria de ciencias que tiene este artículo
Personalmente, creo que habría explorado más opciones antes de ir por un sistema motorizado con ruedas bastante grandes. Lo que se me ocurre es reutilizar las máquinas de escribir eléctricas de bola de los 80 y 90: la bola tenía letras en relieve y ya incorporaba control de posición de alta precisión
Otra opción son los displays microfluídicos. Es un método con el que los fabricantes de teléfonos experimentaban a principios de la década de 2010 para dar retroalimentación táctil a los teclados en pantalla. Al buscar, vi que un equipo de la University of Michigan usó exactamente eso en un display braille hace 8 años [1], y ahora se está convirtiendo en una empresa derivada
La compañía que hacía pantallas táctiles “emergentes” hace 10 años era Tactus [2]. Del lado electromecánico ya hay un movimiento open source y también se ven resultados bastante interesantes [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
¿No sería posible hacer orificios diminutos y soplar aire a través de ellos?
Si se ajustan el tamaño de los orificios y el flujo de aire para que se sienta con claridad en la yema del dedo, se podría accionar con válvulas mucho más grandes y alejadas, de modo que las piezas mecánicas no tendrían que ser tan pequeñas ni precisas
Al final, solo hace falta sentir algo; no es necesario que realmente haya un objeto en ese punto. ¿Se podría aplicar voltaje, una carga capacitiva o una señal en un punto para que se perciba como una presencia?
Que “una superficie lisa se sienta rugosa” suena contraintuitivo, pero han ocurrido cosas todavía más raras en la práctica
Si fuera posible, todo el dispositivo no tendría piezas sólidas móviles y podría fabricarse como una sola gran pieza impresa en 3D. Las excepciones serían una gran membrana de goma que eleve los puntos mediante presión de fluido, una fuente de presión y válvulas conectadas a la electrónica para introducir los datos a mostrar
O bien se podría hacer un gran registro de desplazamiento con lógica de fluidos y poner un amplificador por cada bit para enviar la salida a cada punto
La dificultad es que los dispositivos de la época dorada de la lógica de fluidos no funcionan con los bajos números de Reynolds que aparecen en dispositivos más pequeños. Quizá las técnicas del nuevo campo de la microfluídica lo hagan posible, pero no sé si pueden controlar suficiente presión como para que se perciba con la mano o para levantar una membrana de goma
Hasta donde sé, no existen como productos comerciales, y aunque existieran serían demasiado caras. Al final habría que diseñarlas desde cero con algún método desconocido orientado a bajo costo de fabricación
La mayoría de las válvulas funcionan de forma electromagnética, es decir, basadas en solenoides, así que también existe el problema del control eléctrico. En conjunto, no parece una ruta de solución atractiva
Creo que un diseño basado en PCB sería mejor para un diseño orientado a la producción en masa
Basta con ver el trabajo de Carl Bugeja
https://www.youtube.com/watch?v=oa6sP-joAr8
Hay opciones como motores, solenoides, frenos electromecánicos y mecanismos flexibles
Pero como este campo es bastante un caso extremo, rara vez se desarrolla de forma pública, así que sigue pendiente el reto de equilibrar los requisitos eléctricos y de control con los requisitos físicos, la densidad electromagnética, la selección de componentes, el proceso de fabricación y el costo
Sería colocar cada “punto” sobre un pequeño imán y accionarlo con una PCB que contiene bobinas
Hace tiempo hice un prototipo de pantalla braille con un concepto similar, pero en vez de ruedas giratorias usaba deslizadores lineales en cada columna
Por desgracia, terminé desviándome a otras cosas del proyecto y nunca encontré la mejor forma de acoplar los actuadores
Me enorgullecía que mi diseño pudiera fabricarse cortando con láser una sola placa y ensamblarse sin pegamento ni sujetadores. Claro, sin contar el mecanismo necesario para mover los deslizadores
Imagen: https://retr0.id/media/38116918-4023-437b-9a48-d2ffb1d02dbf/...
Video demo corto: https://twitter.com/David3141593/status/1639261097252233220 En el pie del video decía que había mucha fricción, pero después de lijarlo quedó totalmente bien
Otra idea es aplicar voltaje entre dos contactos del tamaño y la posición adecuados, en lugar de usar puntos táctiles físicos, para que se pueda sentir con la yema del dedo
Sin llegar a un nivel incómodo, y fabricándolo como una PCB normal
Probablemente habría que multiplexar el voltaje entre los puntos para que la corriente no fluya entre puntos distintos, sino solo dentro de la pequeña zona de cada punto a través del dedo
Porque el usuario la usaría varias horas casi todos los días
Al leer esto, me queda muy fuerte la impresión de que están usando una impresora que no corresponde para el trabajo
Este tipo de piezas encaja de forma natural con una impresora de resina. Las ranuras de alineación de #8 se pueden hacer de forma confiable con una impresora de resina, y creo que la calidad de los puntos también sería mejor
Además, la velocidad de impresión de una impresora de resina depende de la altura en el eje Z, no del volumen de las piezas. Por lo tanto, se pueden imprimir tantas ruedas como quepan en la cama en el mismo tiempo que toma imprimir una sola, y con una impresora de resina tomaría unos 10 minutos
La resina también ofrece una gama mucho más amplia de propiedades que la impresión con filamento, y para este uso la resina de impresión más resistente será más fuerte que cualquier filamento, por lo que la vida útil de las piezas también sería mayor
Una vez ajustado el proceso, se podrían imprimir en capas, retirarlas y luego agruparlas para el curado UV. Si no te molesta atender la máquina con más frecuencia, también podrías usar una plantilla magnética; en una placa así simplemente se desprenderían casi saltando
Por #8, se lee como si hubiera surgido una tarea bastante grande debido a problemas de precisión de la impresora en los radios de alineación, pero con una impresora de resina se podría explorar más a fondo ese diseño
Otro enfoque podría ser hacer bucles de tela en los que se puedan coser puntos braille que sobresalgan desde la derecha, y luego tirar de esos bucles hacia la izquierda
Se leería como un letrero LED desplazable, pero convertido en una banda de tela con puntos en relieve
La forma mecánicamente más simple podría ser poner alambres de nitinol en dirección vertical, es decir, paralelos a la trama. Para imprimir un carácter braille, se presionarían dos alambres de nitinol para crear los puntos en relieve en las posiciones correctas, y luego se movería la banda de tela hacia la izquierda
En el tramo de retorno oculto debajo del área de visualización, los alambres de nitinol podrían volver a su estado original
O valdría la pena probar cualquier técnica que permita poner nudos fáciles de deshacer en la tela. Podría ser un método simple de empujar un lazo hacia arriba entre las bandas de tela para formar un punto braille y luego retirarlo de nuevo en la ruta de retorno
Si no me estoy perdiendo de algo, este artículo parece asumir una celda braille de 6 puntos
Pero todas las pantallas braille con las que he trabajado hasta ahora usaban celdas de 8 puntos, y ese estándar se llama braille informático