Display Braille atualizável baseado em roda de baixo custo
(jacquesmattheij.com)- Os displays Braille atualizáveis existentes têm preço e acessibilidade como grandes barreiras, então Jacques Mattheij e Mahmoud Al-Qudsi testaram como prova de conceito uma estrutura de baixo custo baseada em rodas
- A principal dificuldade do projeto é encaixar de forma estável um pequeno sistema mecânico de acionamento dentro dos padrões do Braille, como diâmetro do ponto de 1,6 mm, espaçamento entre pontos de 2,5 mm e largura da célula de 7,6 mm
- Depois de passar por pinos com clique de caneta esferográfica, cames de hodômetro e rodas compactas de 3 bits, foi confirmada a viabilidade de uma grande roda de caracteres que contém 64 combinações de Braille de 6 pontos em uma única roda
- Foram testados em sequência ímãs permanentes, bobinas de relé, H-bridge, motor de passo trifásico e estrutura com bobina interna, e o protótipo final chegou a um estado silencioso e com torque suficiente, capaz de fazer passos lentos e rápidos
- Ainda não é um produto, mas uma prova de conceito, e a transformação em produto real ainda exige avanços em manufaturabilidade, materiais, projeto eletromagnético, redução de custos, vida útil, manutenção e otimização do consumo de energia
Por que um display Braille de baixo custo é difícil
- Mahmoud Al-Qudsi vem desenvolvendo de forma intermitente um leitor Braille barato e fácil de fabricar, e já chegou a registrar uma patente de um dispositivo com uma roda octogonal contendo 8 códigos
- O ponto de partida é o fato de que, mesmo em uma era em que dispositivos de precisão produzidos em massa ficaram muito baratos, praticamente não existem leitores Braille baratos
- Os dispositivos são caros, frágeis e difíceis de encontrar
- Há cerca de 40 milhões de pessoas com deficiência visual no mundo, e o acesso a leitores continua limitado não só em países em desenvolvimento, mas também nos desenvolvidos
- O Braille foi definido com base no formato mais fácil de ler com os dedos, e não na conveniência de implementação técnica, o que cria um desafio mecânico de mover com precisão peças muito pequenas em um display
- As dimensões especificadas são as seguintes
- Diâmetro do ponto: 1,6 mm
- Distância entre pontos: 2,5 mm
- Largura da célula: 7,6 mm
- Altura da linha: 10 mm
- Até mesmo o display de 40 células e 8 pontos mais barato custa cerca de US$ 700, ou aproximadamente US$ 2 por ponto, e a maioria dos produtos é muito mais cara
- O preço-alvo foi definido em US$ 5 por célula, com materiais baratos, mínimo de ferramentas especiais e fabricação fácil como condições importantes
Mercado atual e critérios de projeto
- Muitos dispositivos existentes priorizam usabilidade e durabilidade acima do preço, e mesmo produtos que tinham metas de preço em muitos casos acabaram ficando muito acima delas na prática
- Um texto de visão geral da American Foundation for the Blind cita preços de US$ 3.500 a US$ 15.000, mas isso parece estranho por omitir o Orbit 20, que tem preço competitivo
- Exemplos de produtos, preços e características
- Orbit 20: tamanho 17×11×3 cm, citado como tendo preço competitivo
- Brailliant BI 40X: citado como “Gold Standard”, por cerca de 3.500 euros
- Canute: 1.900 libras, muito barato em relação ao número de células, mas muito barulhento e lento
- Depois é acrescentado que o Canute parece usar uma roda parecida com a de Mahmoud
- Se o preço por célula do Orbit 20 for US$ 35, um dispositivo do porte de um terminal de texto dos anos 1980, na faixa de 80×25, custaria cerca de US$ 70.000
- A faixa de preço por célula vai de cerca de US$ 7 no caso do Canute até algo próximo de US$ 100
- As condições mais importantes no MVP são as seguintes
- Segurança, para que dedos, cabelos, roupas e acessórios não fiquem em risco
- Baixo ruído, baixo peso, longo uso sem energia, suporte a software padrão e casos de uso comuns
- Qualidade do caractere, com altura, espaçamento e alinhamento uniformes dos pontos, e sem que os pontos se movam ao toque
- Longa vida útil, poucos componentes móveis, resistência à água e poeira e reparo fácil
- Alimentação por USB-C, baixo consumo de energia e velocidade de atualização de cerca de 0,5 Hz
- Os itens inegociáveis são qualidade do caractere, distância entre caracteres, exibição correta dos caracteres, conjunto completo de 6 bits e nível de ruído
Das ideias mecânicas à roda completa de caracteres
- O primeiro experimento usava um mecanismo de clique de caneta esferográfica para cada ponto
- Vantagens: barato, trava e não consome energia depois de travado
- Desvantagens: barulhento, volumoso, difícil de encaixar no espaçamento de 2,5 mm entre pontos e com muitas peças
- Foi testado em escala 4:1 com 6 canetas retráteis baratas, mas os problemas de miniaturização e vida útil fizeram a ideia ser deixada de lado
- A segunda linha foi colocar rodas lado a lado, como em um hodômetro mecânico de carro, e exibir o Braille com cames ou com os próprios pontos
- A abordagem com came e pinos com mola tem grande chance de ficar cara por desgaste e pela alta densidade de peças de precisão
- Colocar os pontos diretamente na superfície da roda reduz o número de peças, pois dispensa pushrods, deslizadores e pinos separados
- No experimento com roda de 3 bits, tentou-se reduzir a rotação sobrepondo na mesma roda as combinações possíveis
- Se as 8 combinações de 3 pontos forem colocadas separadamente em 8 faces, é necessária uma rotação completa de 360 graus
- Se as combinações forem sobrepostas, todo o padrão cabe em um setor de 120 graus, e basta mover no máximo 1/6 de volta até o padrão desejado
- Em um experimento com roda mais fina, a largura da roda foi reduzida para 2,6 mm e o espaçamento entre pontos foi ajustado para ficar próximo do padrão
- Mas, em escala 1:1, a resolução ainda era insuficiente, a ponto de ser difícil distinguir os pontos até visualmente
- Depois, o projeto mudou para uma roda que contém todas as 64 combinações de Braille de 6 pontos em uma só peça
- Com espaçamento mínimo de 2,3 mm entre pontos e diâmetro de ponto de 1,5 mm, o comprimento linear necessário para 64 posições é de 147 mm
- Com esse cálculo, o diâmetro da roda fica em cerca de 46 mm
- A vantagem é simplificar o acionamento: basta indexar uma única roda até a posição correspondente
- A desvantagem é aumentar o espaçamento entre linhas e o tamanho total do dispositivo
- Com uma roda de 46 mm, uma tela de 80×10 linhas teria cerca de 61 cm de largura e 46 cm de altura, enquanto 40×10 ficaria próxima da área de um notebook grande
A evolução dos experimentos de acionamento eletromagnético
- Na roda completa de caracteres, o problema central acabou sendo o sistema de acionamento e travamento
- Engrenagens, sem-fim, motores, embreagens e sistemas de carro trazem problemas de custo, desgaste, ruído e ponto único de falha
- Como até uma pequena oscilação na posição do caractere pode levar a leitura incorreta, foi concluído que qualquer folga no acionamento já caracterizaria falha do conceito
- Em seguida veio a ideia de usar a roda como se fosse um rotor de motor de passo
- No começo, foi testado um funcionamento em meio passo com 4 bobinas e 8 ímãs, obtendo 32 passos por volta
- O sistema funcionou já no primeiro rascunho e, em modo de meio passo, chegou a 200 passos por segundo, cerca de 3,5 voltas por segundo
- Como o caractere desejado está sempre a no máximo meia volta de distância, o tempo de atualização foi estimado em cerca de 1/7 de segundo
- Uma versão mais precisa com 16 ímãs inicialmente não funcionou, mas passou a operar depois que foi encontrado um problema de aterramento interrompido dentro de uma bobina
- A disposição radial dos ímãs funcionou um pouco melhor, começando em tensão mais baixa e estabilizando mais rápido
- O dispositivo era tão silencioso que mal podia ser ouvido mesmo com o ouvido encostado nele
- Na estrutura de ímãs e bobinas, o airgap apareceu repetidamente como problema central
- Se o airgap for grande a ponto de se aproximar da espessura do ímã, a maior parte do campo magnético se perde
- Ao lixar a ponta de um parafuso para aproximá-la mais do ímã, a diferença de torque aumentou bastante, chegando a 700 passos por segundo em 7 V e 0,6 A e 1000 passos por segundo em 8 V e 0,7 A
- Também foi testada uma abordagem com motor de passo trifásico
- Um acionamento trifásico foi montado com L293, e a roda com 16 ímãs ganhou mais torque, acelerou com mais suavidade e usou apenas 3 bits de saída do controlador
- Ela já começava a girar com tensão de bobina de 3 V, abaixo dos 5,5 a 6 V do acionamento anterior com 4 bobinas
- Também foram testados 250 ímãs de neodímio de 2×1 mm
- Cada ímã foi estimado em cerca de 0,2 g e conseguia erguer facilmente 35 g, ou cerca de 175 vezes o próprio peso
- Mas eles eram pequenos demais, tornando muito difícil a montagem e a verificação de polaridade, e inserir manualmente 64 ímãs em uma roda trazia alta dificuldade e chance de erro
- A última grande mudança foi mover as bobinas para dentro da roda
- As bobinas internas e peças de estator mais complexas foram projetadas para aproveitar cerca de 90% dos ímãs
- A primeira versão com bobinas internas exigiu retrabalho após erros de cálculo angular e um problema de saliência de parafuso
- Depois do retrabalho, ela passou a executar tanto passos lentos quanto rápidos, com bastante torque e o mesmo funcionamento silencioso de antes
Resultado e desafios restantes
- No estado final, a abordagem de “large wheel” foi considerada concluída do ponto de vista de invenção, restando problemas de engenharia
- O tempo decorrido desde o início foi de 16 dias
- O autor diz que prefere não revelar o tempo real investido
- O protótipo atingiu largura de caractere padrão, alinhamento preciso e o movimento necessário
- Alcançar a largura de caractere de 7,6 mm foi considerado um marco importante
- Ainda assim, a seção da roda com 46 mm e altura de cerca de 64 mm ficou maior do que o desejado
- A estimativa de custo para peças mecânicas e eletromecânicas é de cerca de US$ 2
- Os rolamentos são estimados em cerca de US$ 0,10 em escala
- Os ímãs custam US$ 0,20 por unidade na quantidade atual, mas poderiam cair para US$ 0,02 em grande volume
- O custo dos ímãs foi calculado em cerca de US$ 1,30, fio de cobre em US$ 0,50, aço em alguns centavos e plástico em cerca de US$ 0,20
- Restam US$ 3 do orçamento-alvo para componentes eletrônicos e montagem
- Para virar um produto real, ainda são necessárias otimizações em
- tamanho, custo, consumo de energia, vida útil, torque de movimento e torque de retenção
- manufaturabilidade, escolha de materiais, projeto eletromagnético e automação da montagem
- manutenção, como substituição de células e reparos
- Como próximos caminhos, ainda seria possível retomar a abordagem com rodas de 3 bits lado a lado e também um display baseado em matriz
- Também foram encontrados exemplos externos de abordagem semelhante baseada em roda
- O display Braille de 2017 da Utopia Mechanicus parece quase um gêmeo, em termos de estrutura de roda e janela
- A diferença está no sistema de acionamento e no alinhamento do código, e o autor considera que aquele projeto teria muita folga e seria caro
1 comentários
Comentários no Hacker News
Do ponto de vista de uma pessoa com deficiência visual, ruído, consumo de energia e durabilidade são fatores em que dá para aceitar concessões consideráveis.
Se eu tivesse tido um display braille na escola e na universidade, acho que teria sofrido muito menos com problemas de matemática. Se funcionar direito e for barato, já será um grande avanço para muita gente.
Energia não é um fator tão caro em comparação com displays existentes; o ruído pode ser reduzido ou simplesmente tolerado; e as peças importantes podem ser bem cuidadas. O mais difícil é conseguir quem pague por isso.
Leitores de tela são perfeitos para texto comum e navegação em GUIs, mas objetos multidimensionais, como fórmulas, são mais fáceis de entender quando podem ser tocados com as mãos.
Dá para imaginar uma estrutura com um pórtico XY, como uma impressora 3D, em que os eixos se movem livremente e o dispositivo lê as coordenadas que o usuário está movendo. Dentro haveria um pequeno servomotor que move uma caneta no eixo Z; ao visualizar uma imagem, branco seria mapeado para baixo e preto para cima.
Assim seria possível “ver” gráficos 2D simples, e talvez até fórmulas. Acho que a usabilidade também melhoraria se o pórtico XY usasse motores com feedback de força para conduzir levemente a caneta a permanecer sobre as linhas.
Algo assim parece viável por algo em torno de 200 a 300 dólares.
A ideia seria complementar por voz dependendo do ponto do display que a pessoa está tocando ou lendo.
É um belo exemplo da narrativa de inovação que tira o sono de CTOs de grandes empresas.
Se uma pessoa de fora muito inteligente tiver papel e caneta, computador, impressora 3D e morar em um lugar atendido por entregas do AliExpress, ela pode alternar entre teoria, experimentos e privação de sono e criar uma prova de conceito disruptiva em poucas semanas.
Espero que este projeto realmente dê certo ou que inspire outras pessoas a tornar leitores braille mais baratos.
[0]: A inspiração para este projeto começou 48 dias antes: https://news.ycombinator.com/item?id=39159476
https://news.ycombinator.com/user?id=jacquesm
Gosto da sensação de feira de ciências deste texto.
Pessoalmente, acho que eu teria explorado mais opções antes de partir para uma solução com rodas motorizadas bem grandes. Uma ideia que me vem à cabeça é reaproveitar máquinas de escrever elétricas de esfera dos anos 80 e 90: a esfera tinha letras em relevo e já incluía controle de posição de alta precisão.
Outra opção é um display microfluídico. Fabricantes de celulares experimentavam essa abordagem no início dos anos 2010 para feedback tátil em teclados na tela. Pesquisando, vi que uma equipe da University of Michigan usou exatamente isso em um display braille 8 anos atrás [1], e agora isso está virando uma empresa.
A empresa que fazia telas sensíveis ao toque “pop-up” 10 anos atrás era a Tactus [2]. No lado eletromecânico, já existe um movimento open source, com alguns resultados bem interessantes [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
Não seria possível fazer furinhos minúsculos e soprar ar por eles?
Se der para ajustar o tamanho dos furos e o fluxo de ar de modo que seja claramente perceptível na ponta dos dedos, a solução poderia ser acionada por válvulas muito maiores e mais distantes, de modo que as peças mecânicas não precisariam ser tão minúsculas e precisas.
No fim, basta sentir alguma coisa; não é necessário que haja um objeto fisicamente naquele ponto. Será que dá para aplicar uma tensão, uma carga capacitiva ou um sinal em um ponto e fazê-lo parecer uma presença?
A ideia de que “uma superfície lisa parece irregular” é contraintuitiva, mas coisas ainda mais estranhas já aconteceram de verdade.
Se fosse possível, o dispositivo inteiro não teria peças sólidas móveis e poderia ser feito como uma única grande peça impressa em 3D. As exceções seriam uma grande membrana de borracha que levantaria os pontos por pressão do fluido, uma fonte de pressão e válvulas ligadas à eletrônica para inserir os dados a serem exibidos.
Ou então daria para criar um grande registrador de deslocamento com lógica fluídica e colocar um amplificador em cada bit para gerar a saída para cada ponto.
O problema é que os dispositivos da era de ouro da lógica fluídica não funcionam no baixo número de Reynolds que aparece em dispositivos menores. Talvez técnicas do novo campo de microfluídica tornem isso possível, mas não sei se elas conseguem controlar pressão suficiente para ser sentida pelos dedos ou levantar uma membrana de borracha.
Pelo que sei, isso não existe como produto comercial; e, se existir, deve ser caro demais. No fim, seria preciso projetar do zero algum método desconhecido voltado a baixo custo de fabricação.
A maioria das válvulas funciona de forma eletromagnética, ou seja, baseada em solenoides, então também há o problema do controle elétrico. No geral, não é um caminho de solução atraente.
Acho que um design baseado em PCB seria melhor para projetar para produção em massa
Basta olhar o trabalho de Carl Bugeja
https://www.youtube.com/watch?v=oa6sP-joAr8
Há opções como motores, solenoides, freios eletromecânicos e mecanismos compliant
Só que essa área é um caso bem de nicho, então raramente há desenvolvimento público; ainda resta o desafio de equilibrar requisitos elétricos e de controle com requisitos físicos, densidade eletromagnética, escolha de componentes, processo de fabricação e custo
Ou seja, colocar cada “ponto” sobre um pequeno ímã e acioná-lo com uma PCB com bobinas
Há algum tempo fiz um protótipo de display braille com um conceito parecido, mas usei sliders lineares em cada coluna em vez de rodas giratórias
Infelizmente acabei desviando para outras coisas no projeto e nunca encontrei a melhor forma de acoplar os atuadores
Eu tinha orgulho do fato de que meu design podia ser feito a partir de uma única chapa cortada a laser e montado sem cola nem fixadores. Claro, isso exclui o mecanismo necessário para acionar os sliders
Imagem: https://retr0.id/media/38116918-4023-437b-9a48-d2ffb1d02dbf/...
Vídeo curto de demonstração: https://twitter.com/David3141593/status/1639261097252233220 Na legenda do vídeo eu escrevi que havia muito atrito, mas, depois de lixar, ficou totalmente aceitável
Outra ideia é, em vez de pontos táteis reais, aplicar uma tensão entre dois contatos de tamanho e posição adequados para que a ponta do dedo consiga sentir
Sem ser alta a ponto de incomodar, e poderia ser fabricado como uma PCB comum
Provavelmente seria preciso multiplexar as tensões entre os pontos para que a corrente não flua entre pontos diferentes, mas apenas dentro da pequena área de cada ponto através do dedo
Afinal, o usuário provavelmente usaria isso por várias horas quase todos os dias
Lendo este texto, fico com a forte impressão de que estão usando a impressora errada para a tarefa
Peças desse tipo combinam naturalmente com uma impressora de resina. As fendas de alinhamento do #8 podem ser produzidas de forma confiável em uma impressora de resina, e acho que a qualidade dos pontos também seria melhor
Além disso, a velocidade de impressão de uma impressora de resina depende da altura no eixo Z, não do volume da peça. Portanto, é possível imprimir tantas rodas quantas couberem na mesa no mesmo tempo necessário para imprimir uma só, e, numa impressora de resina, isso provavelmente levaria cerca de 10 minutos
A resina também oferece uma variedade muito maior de propriedades de material do que a impressão com filamento e, para este uso, a resina de impressão mais resistente seria mais forte do que qualquer filamento, aumentando também a vida útil da peça
Depois de ajustar o processo, dá para imprimir em camadas, destacá-las e então agrupá-las para cura UV. Se não houver problema em monitorar a máquina com mais frequência, também dá para usar um gabarito magnético; nesse tipo de placa, elas simplesmente se soltariam como se saltassem
Por causa do #8, o texto dá a entender que surgiu uma tarefa considerável ligada à precisão da impressora para os raios de alinhamento, mas uma impressora de resina permitiria explorar esse design mais a fundo
Outra abordagem poderia ser criar laços de tecido nos quais seja possível costurar o braille em relevo vindo da direita e puxar esse laço para a esquerda
Seria lido como um painel de LED rolante, mas na forma de uma correia de tecido com pontos salientes
A maneira mecanicamente mais simples talvez seja colocar fios de nitinol no sentido vertical, ou seja, paralelos à trama. Para imprimir um caractere braille, bastaria pressionar dois fios de nitinol para formar os pontos salientes nas posições corretas e depois mover a correia de tecido para a esquerda
No trecho de retorno, escondido sob a área de exibição, os fios de nitinol poderiam ser restaurados ao estado original
Ou então valeria tentar qualquer técnica que coloque nós fáceis de desfazer no tecido. Pode ser até um método simples de empurrar laços entre as correias de tecido para formar os pontos braille e depois retirá-los novamente no caminho de retorno
Se eu não estiver deixando passar algo, este texto parece presumir uma célula braille de 6 pontos
Mas todos os displays braille com que lidei até hoje usavam células de 8 pontos, e esse padrão é chamado de braille de computador