Màn hình Braille làm mới được giá rẻ dựa trên bánh xe
(jacquesmattheij.com)- Các màn hình Braille làm mới được hiện nay có rào cản lớn về giá và khả năng tiếp cận, nên Jacques Mattheij và Mahmoud Al-Qudsi đã thử nghiệm cấu trúc giá rẻ dựa trên bánh xe như một bản chứng minh khái niệm
- Điểm khó cốt lõi của thiết kế là đặt một cơ cấu truyền động cơ khí nhỏ một cách ổn định trong các chuẩn Braille như đường kính chấm 1.6mm, khoảng cách chấm 2.5mm, bề rộng ô 7.6mm
- Sau khi thử qua chốt kiểu bấm bút bi, cam kiểu công-tơ-mét và bánh xe nhỏ 3 bit, họ xác nhận khả năng vận hành với bánh xe ký tự lớn chứa 64 tổ hợp Braille 6 chấm trên một bánh
- Họ lần lượt thử nam châm vĩnh cửu, cuộn relay, H-bridge, stepper 3 pha và cấu trúc cuộn dây bên trong; nguyên mẫu cuối cùng đạt trạng thái êm và đủ mô-men xoắn, hỗ trợ cả bước chậm lẫn bước nhanh
- Đây vẫn chưa phải sản phẩm mà mới ở giai đoạn chứng minh khái niệm; để thương mại hóa thực tế vẫn còn các bài toán về khả năng sản xuất, vật liệu, thiết kế điện từ, giảm chi phí, tuổi thọ, khả năng bảo trì và tối ưu điện năng tiêu thụ
Vì sao màn hình Braille giá rẻ lại khó
- Mahmoud Al-Qudsi đã phát triển gián đoạn một đầu đọc Braille rẻ và dễ chế tạo, và từng nộp bằng sáng chế cho thiết bị dùng bánh xe bát giác chứa 8 mã
- Điểm khởi đầu là thực tế gần như không tồn tại đầu đọc Braille giá rẻ, ngay cả trong thời đại thiết bị chính xác sản xuất hàng loạt đã trở nên rất rẻ
- Thiết bị đắt đỏ, dễ hỏng và khó mua
- Trên toàn cầu có khoảng 40 triệu người khiếm thị, và khả năng tiếp cận đầu đọc vẫn hạn chế không chỉ ở các nước đang phát triển mà cả ở các nước phát triển
- Braille được định nghĩa dựa trên hình dạng dễ đọc bằng đầu ngón tay hơn là sự thuận tiện cho việc triển khai kỹ thuật, nên khi làm màn hình sẽ phát sinh bài toán cơ khí là phải điều khiển chính xác các chi tiết cơ khí cực nhỏ
- Các kích thước chuẩn được nêu như sau
- Đường kính chấm: 1.6mm
- Khoảng cách giữa các chấm: 2.5mm
- Bề rộng ô: 7.6mm
- Chiều cao dòng: 10mm
- Ngay cả màn hình 40 ô, 8 chấm rẻ nhất cũng vào khoảng 700 USD, tương đương khoảng 2 USD cho mỗi chấm, và đa số sản phẩm còn đắt hơn nhiều
- Mục tiêu giá được đặt là 5 USD mỗi ô, với các điều kiện quan trọng là vật liệu rẻ, tối thiểu hóa dụng cụ chuyên dụng và dễ chế tạo
Thị trường hiện tại và tiêu chí thiết kế
- Nhiều thiết bị hiện có được thiết kế ưu tiên tính dễ dùng và độ bền hơn giá thành, và ngay cả những sản phẩm từng có mục tiêu giá cụ thể cũng thường vượt xa mục tiêu đó trong thực tế
- Bài tổng quan của American Foundation for the Blind dẫn mức giá thiết bị 3.500~15.000 USD, nhưng bị cho là bất thường vì thiếu Orbit 20 có giá cạnh tranh
- Ví dụ về sản phẩm, giá và đặc điểm
- Orbit 20: kích thước 17×11×3cm, được nhắc đến như một sản phẩm có giá cạnh tranh
- Brailliant BI 40X: được gọi là “Gold Standard”, khoảng 3.500 euro
- Canute: 1.900 bảng Anh, rất rẻ so với số ô nhưng rất ồn và chậm
- Cũng có ghi chú rằng Canute về sau trông như dùng bánh xe của Mahmoud
- Nếu lấy Orbit 20 ở mức 35 USD mỗi ô, thì thiết bị cỡ 80×25 tương đương terminal văn bản thập niên 1980 sẽ có giá khoảng 70.000 USD
- Mức giá theo ô hiện dao động từ 7 USD của Canute đến khoảng 100 USD
- Các điều kiện quan trọng ở MVP gồm
- An toàn, để ngón tay, tóc, quần áo hay trang sức không gặp nguy hiểm
- Độ ồn thấp, trọng lượng nhẹ, thời gian dùng không cấp nguồn dài, hỗ trợ phần mềm chuẩn và các trường hợp sử dụng chuẩn
- Chất lượng ký tự với độ cao, khoảng cách và căn chỉnh chấm đồng đều, và chấm không bị xê dịch khi chạm vào
- Tuổi thọ cao, ít bộ phận chuyển động, chống nước/chống bụi, dễ sửa chữa
- Nguồn USB-C, điện năng tiêu thụ thấp, tốc độ cập nhật khoảng 0.5Hz
- Những yếu tố không chấp nhận thỏa hiệp là chất lượng ký tự, khoảng cách giữa ký tự, hiển thị đúng ký tự, đầy đủ bộ 6 bit và mức độ ồn
Từ ý tưởng cơ khí đến bánh xe ký tự hoàn chỉnh
- Thử nghiệm đầu tiên là dùng cơ chế bấm bút bi cho từng chấm
- Ưu điểm: rẻ, có thể khóa và không tiêu thụ điện sau khi khóa
- Nhược điểm: ồn, cồng kềnh, khó đặt trong khoảng cách chấm 2.5mm và có nhiều linh kiện
- Họ đã thử ở tỉ lệ 4:1 với 6 cây bút thu gọn giá rẻ, nhưng các vấn đề về thu nhỏ và tuổi thọ khiến hướng này bị gác lại
- Hướng thứ hai là đặt các bánh xe song song như công-tơ-mét cơ khí ô tô, rồi hiển thị Braille bằng cam hoặc chính các chấm
- Cách dùng cam và chốt lò xo có nguy cơ đắt vì mài mòn và do phải nhồi nhiều chi tiết chính xác cao
- Nếu đưa chấm trực tiếp lên bề mặt bánh xe thì không cần pushrod, ray trượt hay chốt riêng, giúp giảm số lượng linh kiện
- Ở thử nghiệm bánh xe 3 bit, họ thử cách chồng lấp các tổ hợp có thể có trên một bánh để giảm góc quay
- Nếu đặt riêng toàn bộ 8 tổ hợp của 3 chấm trên 8 mặt thì cần quay đủ 360 độ
- Nếu bố trí chồng lấp các tổ hợp, có thể đặt toàn bộ mẫu trong vùng 120 độ và chỉ cần quay tối đa 1/6 vòng để đến mẫu mong muốn
- Với thử nghiệm bánh xe mỏng hơn, bề rộng bánh được giảm xuống 2.6mm và khoảng cách chấm được đưa gần chuẩn hơn
- Tuy nhiên ở tỉ lệ 1:1, độ phân giải vẫn không đủ đến mức mắt thường cũng khó phân biệt các chấm
- Sau đó thiết kế chuyển sang cách đặt toàn bộ 64 tổ hợp Braille 6 chấm trên một bánh
- Với khoảng cách chấm tối thiểu 2.3mm và đường kính chấm 1.5mm, chiều dài tuyến tính cần cho 64 vị trí là 147mm
- Từ đó, đường kính bánh xe vào khoảng 46mm
- Ưu điểm là bài toán truyền động đơn giản hơn vì chỉ cần đánh chỉ số một bánh và xoay đến vị trí tương ứng
- Nhược điểm là khoảng cách dòng và kích thước tổng thể của thiết bị tăng lên
- Với bánh xe 46mm, màn hình nhiều dòng 80×10 sẽ rộng khoảng 61cm và cao 46cm, còn 40×10 thì gần với diện tích của một laptop lớn
Sự tiến hóa của các thử nghiệm truyền động điện từ
- Với bánh xe ký tự hoàn chỉnh, bài toán then chốt còn lại là truyền động và cơ chế khóa
- Các cách như bánh răng, trục vít, motor, ly hợp hay cơ cấu carriage đều có vấn đề về chi phí, mài mòn, tiếng ồn và điểm lỗi đơn lẻ
- Họ cho rằng chỉ cần vị trí ký tự rung lệch một chút cũng có thể gây đọc sai, nên độ rơ của truyền động phải được xem là thất bại về mặt ý tưởng
- Từ đó xuất hiện ý tưởng dùng bánh xe như rotor của stepper
- Ban đầu họ thử chế độ half-step 32 bước/vòng với 4 cuộn dây và 8 nam châm
- Ngay cả bản phác đầu tiên cũng hoạt động, và ở chế độ half-step đạt 200 bước/giây, tương đương khoảng 3.5 vòng/giây
- Vì ký tự mong muốn luôn nằm trong tối đa nửa vòng quay, thời gian cập nhật được tính khoảng 1/7 giây
- Phiên bản chính xác hơn dùng 16 nam châm ban đầu không chạy, nhưng hoạt động sau khi phát hiện một cuộn dây bị đứt tiếp địa bên trong
- Bố trí nam châm hướng tâm hoạt động tốt hơn đôi chút, khởi động ở điện áp thấp hơn và ổn định nhanh hơn
- Thiết bị rất êm, đến mức ghé tai sát vào cũng khó nghe
- Trong cấu trúc nam châm và cuộn dây, khe hở không khí (airgap) liên tục là vấn đề trọng yếu
- Nếu khe hở lớn gần bằng độ dày nam châm thì phần lớn từ trường sẽ bị rò ra ngoài
- Khi mài đầu bu-lông để gần nam châm hơn, chênh lệch mô-men xoắn tăng rõ rệt và đạt 700 bước/giây ở 7V·0.6A, 1000 bước/giây ở 8V·0.7A
- Họ cũng thử cấu hình stepper 3 pha
- Với L293 để điều khiển 3 pha, bánh 16 nam châm có mô-men xoắn cao hơn, tăng tốc mượt hơn và chỉ dùng 3 bit đầu ra từ controller
- Ngay ở điện áp cuộn dây 3V bánh đã bắt đầu quay, thấp hơn mức 5.5~6V của hệ dẫn động 4 cuộn trước đó
- Họ cũng thử 250 nam châm neodymium 2×1mm
- Mỗi nam châm được ước tính nặng khoảng 0.2g và dễ dàng nâng 35g, tức khoảng 175 lần trọng lượng của chính nó
- Nhưng chúng quá nhỏ nên rất khó lắp ráp và kiểm tra cực tính, còn việc gắn thủ công 64 nam châm vào một bánh xe thì vừa khó vừa dễ sai
- Bước chuyển lớn cuối cùng là đưa cuộn dây vào phía trong bánh xe
- Cuộn dây bên trong và các mảnh stator phức tạp được thiết kế để tận dụng khoảng 90% từ tính của nam châm
- Phiên bản cuộn dây bên trong đầu tiên phải làm lại sau lỗi tính góc và vấn đề bu-lông nhô ra
- Sau khi làm lại, nó hỗ trợ cả bước chậm lẫn bước nhanh, có mô-men xoắn lớn và vẫn hoạt động êm như trước
Kết quả và các bài toán còn lại
- Ở trạng thái cuối cùng, cách làm “large wheel” được xem như đã hoàn tất ở góc độ phát minh, phần còn lại được gói gọn thành bài toán kỹ thuật
- Thời gian trôi qua kể từ lúc bắt đầu là 16 ngày
- Tác giả nói không muốn công bố thời gian thực tế đã bỏ vào
- Nguyên mẫu đạt được bề rộng ký tự chuẩn, căn chỉnh chính xác và chuyển động cần thiết
- Việc đáp ứng bề rộng ký tự 7.6mm được xem là cột mốc chinh phục thách thức chính
- Tuy vậy, tiết diện bánh xe 46mm và chiều cao khoảng 64mm vẫn lớn hơn mong muốn
- Ước tính chi phí cho phần cơ khí và điện cơ vào khoảng 2 USD
- Ổ bi được ước tính khoảng 0.10 USD trong quy mô lớn
- Nam châm hiện có giá 0.20 USD mỗi chiếc ở lượng mua hiện tại, và có thể giảm xuống 0.02 USD mỗi chiếc khi mua số lượng lớn
- Chi phí nam châm khoảng 1.30 USD, dây đồng 0.50 USD, thép vài xu và nhựa khoảng 0.20 USD
- Như vậy ngân sách mục tiêu còn lại cho linh kiện điện tử và lắp ráp là 3 USD
- Để thương mại hóa thật sự, vẫn cần tối ưu
- Kích thước, chi phí, điện năng tiêu thụ, tuổi thọ, mô-men khi di chuyển và mô-men giữ
- Khả năng sản xuất, lựa chọn vật liệu, thiết kế điện từ, tự động hóa lắp ráp
- Khả năng bảo trì như thay ô và sửa chữa
- Các hướng tiếp theo có thể quay lại là dùng các bánh xe 3 bit đặt song song và màn hình dựa trên ma trận
- Bên ngoài cũng có xác nhận về các cách tiếp cận tương tự dựa trên bánh xe
- Màn hình Braille năm 2017 của Utopia Mechanicus trông gần như là bản song sinh với cấu trúc bánh xe và cửa sổ hiển thị
- Khác biệt nằm ở truyền động và cách căn chỉnh mã; thiết kế đó được cho là có nhiều độ rơ và sẽ đắt đỏ
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Từ góc nhìn của người khiếm thị, tiếng ồn, mức tiêu thụ điện, độ bền đều là những yếu tố có thể thỏa hiệp ở mức khá lớn
Nếu ở trường học và đại học có màn hình chữ nổi Braille thì có lẽ tôi đã đỡ vất vả với các bài toán hơn rất nhiều. Chỉ cần nó hoạt động đúng và đủ rẻ thì đây sẽ là một bước tiến lớn cho nhiều người
Điện năng không phải yếu tố đắt đỏ đến thế nếu so với các màn hình hiện có, tiếng ồn có thể giảm bớt hoặc đơn giản là chấp nhận được, còn các bộ phận quan trọng thì có thể bảo quản tốt. Phần khó hơn là phía chịu chi tiền
Trình đọc màn hình là hoàn hảo cho văn bản thông thường và điều hướng GUI, nhưng với những đối tượng đa chiều như công thức thì sẽ dễ hiểu hơn khi có thể sờ bằng tay
Có thể hình dung một cấu trúc có giàn XY như máy in 3D, các trục di chuyển tự do để thiết bị đọc được tọa độ mà người dùng đang di chuyển tới. Bên trong có một servo nhỏ để di chuyển stylus theo trục Z, và khi xem hình ảnh thì ánh xạ màu trắng xuống dưới, màu đen lên trên
Như vậy có thể “xem” được các đồ thị 2D đơn giản hoặc có khi cả công thức. Nếu dùng motor phản hồi lực trên giàn XY để hơi dẫn hướng cho stylus bám theo các đường thì khả năng dùng cũng có thể tốt hơn
Kiểu thiết bị này có vẻ làm được trong khoảng 200~300 USD
Tức là tùy theo vị trí đang chạm hoặc đang đọc trên màn hình mà âm thanh sẽ bổ sung thông tin
Đây là một ví dụ tuyệt đẹp về câu chuyện đổi mới khiến các CTO tập đoàn lớn phải mất ngủ
Nếu một người ngoài cuộc cực kỳ thông minh có giấy bút, máy tính, máy in 3D và sống ở nơi AliExpress giao hàng tới được, thì chỉ trong vài tuần họ có thể tạo ra một bản chứng minh khái niệm mang tính đột phá, qua lại giữa lý thuyết, thực nghiệm và thiếu ngủ
Hy vọng dự án này thực sự thành công, hoặc truyền cảm hứng để người khác làm ra máy đọc Braille giá rẻ
[0]: Nguồn cảm hứng cho dự án này bắt đầu từ 48 ngày trước: https://news.ycombinator.com/item?id=39159476
https://news.ycombinator.com/user?id=jacquesm
Tôi thích cảm giác kiểu hội chợ khoa học của bài viết này
Cá nhân tôi nghĩ chắc mình sẽ xem thêm nhiều lựa chọn trước khi đi tới phương án bánh xe cơ điện khá lớn này. Một ý tưởng bật ra là tái sử dụng máy đánh chữ điện dạng bi từ thập niên 80~90, vì quả bi có các ký tự nổi và vốn đã có sẵn khả năng điều khiển vị trí rất chính xác
Một hướng khác là màn hình vi lưu. Đây là cách mà các hãng điện thoại từng thử nghiệm vào đầu thập niên 2010 để tạo phản hồi xúc giác cho bàn phím trên màn hình. Tìm thử thì thấy nhóm ở University of Michigan đã dùng chính xác cách đó cho màn hình Braille từ 8 năm trước [1], và hiện nay đang tách ra thành công ty
Công ty từng làm màn hình cảm ứng “pop-up” cách đây 10 năm là Tactus [2]. Ở mảng cơ điện, đã có phong trào mã nguồn mở và cũng thấy vài kết quả khá thú vị [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
Liệu có thể làm theo cách tạo những lỗ kim cực nhỏ rồi thổi không khí qua đó không?
Nếu điều chỉnh được kích thước lỗ và luồng khí để đầu ngón tay cảm nhận rõ ràng, thì có thể vận hành bằng các van lớn hơn nhiều và đặt xa hơn, nhờ đó các bộ phận cơ khí không cần phải nhỏ và chính xác đến vậy
Rốt cuộc chỉ cần cảm nhận được thứ gì đó, chứ không nhất thiết phải có một vật thật sự ở đúng vị trí đó. Liệu có thể tạo cảm giác như có sự hiện diện bằng cách đặt điện áp, điện tích tĩnh điện hoặc tín hiệu vào một điểm nào đó không?
Ý tưởng “một bề mặt nhẵn lại cho cảm giác gồ ghề” nghe trái trực giác, nhưng những điều còn lạ hơn thế vẫn từng xảy ra
Nếu làm được thì toàn bộ thiết bị sẽ không có bộ phận rắn chuyển động, và có thể được tạo thành từ một khối in 3D lớn duy nhất. Ngoại lệ có lẽ chỉ là một màng cao su lớn được áp suất chất lưu đẩy lên để nâng các chấm, nguồn áp suất, và các van nối với điện tử để nạp dữ liệu hiển thị
Hoặc cũng có thể dùng logic chất lưu để tạo một thanh ghi dịch lớn, rồi đặt bộ khuếch đại ở mỗi bit để xuất ra từng chấm
Khó ở chỗ các thiết bị xuất hiện trong thời kỳ hoàng kim của logic chất lưu lại không hoạt động ở số Reynolds thấp của các thiết bị nhỏ hơn. Có thể công nghệ từ lĩnh vực vi lưu mới sẽ làm được, nhưng tôi không rõ liệu có thể điều khiển đủ áp suất để tay cảm nhận được hoặc để nâng màng cao su lên hay không
Theo tôi biết thì không có sản phẩm thương mại nào như vậy, mà nếu có thì giá cũng sẽ quá đắt. Cuối cùng vẫn phải thiết kế mới theo một phương thức chưa biết nào đó để đạt chi phí sản xuất thấp
Phần lớn van hoạt động bằng điện từ, tức là dựa trên solenoid, nên còn có cả bài toán điều khiển điện. Nhìn chung đây không phải hướng giải quyết hấp dẫn lắm
Có vẻ thiết kế dựa trên PCB sẽ phù hợp hơn cho thiết kế có tính sản xuất hàng loạt
Có thể xem công việc của Carl Bugeja
https://www.youtube.com/watch?v=oa6sP-joAr8
Có các lựa chọn như motor, solenoid, phanh điện cơ và cơ cấu compliant
Chỉ là lĩnh vực này khá trường hợp biên, nên hiếm khi được phát triển công khai; vì vậy vẫn còn bài toán cân bằng giữa yêu cầu điện/điều khiển và yêu cầu vật lý, mật độ điện từ, lựa chọn linh kiện, quy trình sản xuất và chi phí
Mỗi “chấm” được đặt trên một nam châm nhỏ và được điều khiển bằng PCB có cuộn dây
Trước đây tôi từng làm một nguyên mẫu màn hình chữ nổi Braille với ý tưởng tương tự, nhưng thay vì bánh xe quay thì dùng thanh trượt tuyến tính cho từng cột
Đáng tiếc là dự án đã chệch sang việc khác và rốt cuộc tôi không tìm ra được cách tốt nhất để gắn bộ truyền động
Tôi khá tự hào vì thiết kế của mình có thể làm từ một tấm cắt laser duy nhất và lắp ráp mà không cần keo hay chốt nối. Tất nhiên là không tính cơ cấu cần thiết để truyền động cho các thanh trượt
Hình ảnh: https://retr0.id/media/38116918-4023-437b-9a48-d2ffb1d02dbf/...
Video demo ngắn: https://twitter.com/David3141593/status/1639261097252233220 Trong chú thích video có ghi là ma sát lớn, nhưng sau khi chà nhám thì hoàn toàn ổn
Một ý tưởng khác là thay vì các chấm xúc giác thật, có thể đặt điện áp giữa hai tiếp điểm có kích thước và vị trí phù hợp để người dùng cảm nhận bằng đầu ngón tay
Chỉ cần không cao đến mức gây khó chịu, và có thể sản xuất như PCB thông thường
Có lẽ sẽ cần ghép kênh điện áp giữa các chấm, để dòng điện không chạy giữa các chấm khác nhau mà chỉ chạy trong vùng nhỏ của từng chấm qua ngón tay
Vì người dùng gần như sẽ sử dụng nhiều giờ mỗi ngày
Đọc bài này khiến tôi có cảm giác mạnh rằng họ đang dùng một máy in không phù hợp với công việc
Loại chi tiết này rất hợp với máy in resin. Khe căn chỉnh của #8 có thể được tạo ổn định bằng máy in resin, và chất lượng chấm cũng sẽ tốt hơn
Hơn nữa, tốc độ in của máy in resin phụ thuộc vào chiều cao trục Z chứ không phải thể tích chi tiết. Vì vậy có thể in số lượng bánh xe nhiều nhất vừa khay trong cùng thời gian như in một chiếc, và với máy in resin thì có lẽ chỉ mất khoảng 10 phút
Resin cũng có dải lựa chọn tính chất vật liệu rộng hơn rất nhiều so với in filament, và với mục đích này, loại resin in bền nhất sẽ mạnh hơn bất kỳ loại filament nào, nên tuổi thọ chi tiết cũng sẽ dài hơn
Khi đã chốt được quy trình, có thể in theo lớp, bóc ra rồi gom lại để đóng rắn bằng tia UV; nếu chấp nhận trông máy thường xuyên hơn thì còn có thể dùng đồ gá nam châm, và trên loại khay đó chúng sẽ gần như tự bật ra
Do #8, bài viết đọc lên như thể có một nhiệm vụ khá lớn liên quan đến vấn đề độ chính xác của máy in đối với các nan căn chỉnh, nhưng với máy in resin thì có thể đào sâu thiết kế đó hơn nữa
Một cách tiếp cận khác là tạo vòng vải để có thể khâu các chấm chữ nổi nhô lên từ bên phải rồi kéo vòng đó sang bên trái
Nó sẽ được đọc giống như bảng LED cuộn, nhưng là một dây đai vải có các chấm nổi
Về cơ khí, cách đơn giản nhất có thể là đặt dây nitinol theo phương dọc, tức song song với sợi ngang. Để tạo một ký tự Braille, chỉ cần đẩy hai dây nitinol để tạo các chấm nổi ở đúng vị trí, sau đó dịch dây đai vải sang bên trái
Ở đoạn hồi về ẩn bên dưới vùng hiển thị, có thể đưa dây nitinol trở lại trạng thái ban đầu
Hoặc cũng đáng thử bất kỳ kỹ thuật nào đặt nút thắt dễ tháo lên vải. Có thể đơn giản là đẩy một vòng lên giữa các dây đai vải để tạo chấm Braille, rồi rút nó ra lại ở đường hồi về
Nếu tôi không bỏ sót gì, bài viết này có vẻ đang giả định ô Braille 6 chấm
Nhưng mọi màn hình chữ nổi Braille mà tôi từng dùng cho đến nay đều dùng ô 8 chấm, và tiêu chuẩn đó được gọi là Braille máy tính