Display Braille Refreshable Berbasis Roda yang Murah
(jacquesmattheij.com)- Karena display Braille refreshable yang ada saat ini menghadapi hambatan besar dari sisi harga dan aksesibilitas, Jacques Mattheij dan Mahmoud Al-Qudsi bereksperimen dengan struktur murah berbasis roda sebagai proof of concept
- Tantangan inti desainnya adalah memasukkan mekanisme penggerak kecil secara stabil ke dalam standar Braille seperti diameter titik 1,6 mm, jarak antartitik 2,5 mm, dan lebar sel 7,6 mm
- Setelah mencoba pin model klik bolpoin, cam seperti odometer, dan roda kecil 3-bit, kelayakan operasional dikonfirmasi pada roda karakter besar yang memuat 64 kombinasi Braille 6 titik dalam satu roda
- Mereka menguji magnet permanen, koil relai, H-bridge, stepper 3 fase, dan struktur koil internal secara berurutan; prototipe terakhir mampu melakukan step lambat maupun cepat, dan mencapai kondisi senyap dengan torsi yang cukup
- Ini belum berupa produk, melainkan masih tahap proof of concept; untuk menjadi produk nyata masih diperlukan optimasi manufakturabilitas, material, desain elektromagnetik, pengurangan biaya, umur pakai, kemudahan servis, dan konsumsi daya
Mengapa display Braille murah sulit dibuat
- Mahmoud Al-Qudsi telah secara berkala mengembangkan pembaca Braille yang murah dan mudah dibuat, dan pernah mematenkan perangkat yang memakai roda oktagonal berisi 8 kode
- Titik awalnya adalah kenyataan bahwa meski perangkat presisi produksi massal sudah menjadi sangat murah, pembaca Braille murah praktis hampir tidak ada
- Perangkatnya mahal, rentan, dan sulit didapat
- Ada sekitar 40 juta tunanetra di seluruh dunia, dan akses ke pembaca Braille terbatas bukan hanya di negara berkembang, tetapi juga di negara maju
- Braille didefinisikan berdasarkan bentuk yang mudah dibaca dengan jari, bukan kemudahan implementasi teknis, sehingga implementasi display menimbulkan tantangan mekanis berupa penggerakan komponen mekanis yang sangat kecil secara presisi
- Dimensi yang ditentukan dalam standar adalah sebagai berikut
- Diameter titik: 1,6 mm
- Jarak antartitik: 2,5 mm
- Lebar sel: 7,6 mm
- Tinggi baris: 10 mm
- Display 40 sel 8 titik termurah sekalipun harganya sekitar 700 dolar, sekitar 2 dolar per titik, dan sebagian besar produk jauh lebih mahal dari itu
- Target harga ditetapkan 5 dolar per sel, dengan material murah, minimnya alat khusus, dan kemudahan produksi sebagai syarat penting
Pasar yang ada dan kriteria desain
- Banyak perangkat yang ada dirancang dengan prioritas pada kegunaan dan ketahanan dibanding harga, dan bahkan produk yang punya target harga pun dalam praktiknya sering jauh melampaui target tersebut
- Artikel ringkasan dari American Foundation for the Blind mengutip harga perangkat 3.500–15.000 dolar, tetapi dianggap janggal karena tidak mencantumkan Orbit 20 yang harganya kompetitif
- Contoh produk beserta harga dan fiturnya
- Orbit 20: ukuran 17×11×3 cm, disebut sebagai perangkat dengan harga kompetitif
- Brailliant BI 40X: disebut sebagai “Gold Standard”, sekitar 3.500 euro
- Canute: 1.900 pound, sangat murah dibanding jumlah selnya, tetapi sangat berisik dan lambat
- Ditambahkan juga bahwa Canute belakangan tampak memakai roda milik Mahmoud
- Jika harga per sel Orbit 20 diasumsikan 35 dolar, maka perangkat kelas 80×25 yang setara terminal teks era 1980-an akan berharga sekitar 70.000 dolar
- Rentang harga per sel berkisar dari yang rendah seperti Canute, 7 dolar, hingga sekitar 100 dolar
- Syarat penting untuk MVP adalah sebagai berikut
- Keamanan, sehingga jari, rambut, pakaian, dan perhiasan tidak menjadi berbahaya
- Kebisingan rendah, bobot rendah, durasi penggunaan tanpa daya yang panjang, dukungan untuk perangkat lunak dan kasus penggunaan standar
- Kualitas karakter, dengan tinggi, jarak, dan penjajaran titik yang seragam, serta titik tidak bergerak saat disentuh
- Umur pakai panjang, jumlah komponen bergerak rendah, tahan air dan debu, mudah diperbaiki
- Daya USB-C, konsumsi daya rendah, kecepatan pembaruan sekitar 0,5 Hz
- Hal yang tidak boleh dikompromikan adalah kualitas karakter, jarak antarkarakter, penampilan karakter yang benar, set 6-bit lengkap, dan tingkat kebisingan
Dari ide mekanis hingga roda karakter penuh
- Eksperimen pertama memakai mekanisme klik bolpoin untuk setiap titik
- Kelebihan: murah, dapat terkunci, dan setelah terkunci tidak mengonsumsi daya
- Kekurangan: berisik, besar, sulit dimasukkan ke jarak antartitik 2,5 mm, dan memiliki banyak komponen
- Diuji pada skala 4:1 dengan 6 pena retractable murah, tetapi masalah miniaturisasi dan umur pakai terlihat, sehingga ditunda
- Arah kedua adalah menempatkan roda secara berjajar seperti odometer mekanis mobil, lalu menampilkan Braille dengan cam atau titik itu sendiri
- Metode cam dan pin pegas kemungkinan besar menjadi mahal karena keausan dan kepadatan komponen presisi tinggi
- Jika titik ditempatkan langsung pada permukaan roda, jumlah komponen berkurang karena tidak perlu pushrod, slide, dan pin terpisah
- Dalam eksperimen roda 3-bit, dicoba metode menumpuk kombinasi yang memungkinkan pada satu roda untuk mengurangi jumlah rotasi
- Jika kombinasi 3 titik ditempatkan terpisah pada 8 sisi, diperlukan rotasi penuh 360 derajat
- Jika kombinasi ditempatkan saling tumpang tindih, seluruh pola dapat dimasukkan bahkan dalam rentang 120 derajat, dan untuk mencapai pola yang diinginkan cukup bergerak maksimal 1/6 putaran
- Pada eksperimen roda yang lebih tipis, lebar roda dikurangi hingga 2,6 mm, dan jarak titik dibuat mendekati standar
- Namun pada skala 1:1, resolusinya tidak cukup sampai-sampai titiknya sulit dibedakan bahkan dengan mata
- Setelah itu desain beralih ke pendekatan yang memasukkan seluruh 64 kombinasi Braille 6 titik ke dalam satu roda
- Dengan jarak titik minimum 2,3 mm dan diameter titik 1,5 mm, panjang linear yang dibutuhkan untuk 64 posisi adalah 147 mm
- Dari perhitungan ini, diameter roda menjadi sekitar 46 mm
- Kelebihannya adalah masalah penggerak menjadi sederhana: cukup indeks satu roda dan putar ke posisinya
- Kekurangannya adalah jarak antarbaris dan ukuran keseluruhan perangkat membesar
- Dengan roda 46 mm, layar baris 80×10 akan berukuran sekitar 61 cm lebar dan 46 cm tinggi, sedangkan 40×10 mendekati area laptop besar
Evolusi eksperimen penggerak elektromagnetik
- Pada akhirnya, masalah inti untuk roda karakter penuh adalah sistem penggerak dan struktur pengunci
- Gear, worm gear, motor, clutch, dan metode carriage memiliki masalah biaya, keausan, kebisingan, dan single point of failure
- Karena sedikit saja posisi karakter bergeser bisa menyebabkan salah baca, kelonggaran pada sistem penggerak dinilai sebagai kegagalan konsep
- Ide memakai roda sebagai rotor stepper kemudian berlanjut
- Awalnya diuji operasi half-step 32 step/putaran dengan 4 koil dan 8 magnet
- Bahkan draf awalnya sudah bekerja, dan dalam mode half-step terlihat mencapai 200 step per detik, sekitar 3,5 putaran/detik
- Karena karakter yang diinginkan selalu berada dalam jarak setengah putaran, waktu pembaruan dihitung sekitar 1/7 detik
- Versi yang lebih presisi dengan 16 magnet awalnya tidak bekerja, tetapi berfungsi setelah ditemukan bahwa ground salah satu koil terputus di bagian internal
- Susunan magnet radial bekerja sedikit lebih baik, mulai pada tegangan lebih rendah, dan stabil lebih cepat
- Perangkatnya sangat senyap, sampai hampir tidak terdengar meski telinga didekatkan
- Pada struktur magnet dan koil, airgap berulang kali menjadi masalah inti
- Jika airgap hampir sebesar ketebalan magnet, sebagian besar medan magnet bocor
- Setelah ujung baut diasah agar lebih dekat ke magnet, perbedaan torsi meningkat tajam, menghasilkan 700 step/detik pada 7 V·0,6 A dan 1000 step/detik pada 8 V·0,7 A
- Metode stepper 3 fase juga diuji
- Penggerak 3 fase disusun dengan L293, dan roda 16 magnet memberikan torsi lebih besar dari sebelumnya, berakselerasi lebih halus, serta hanya memakai output controller 3-bit
- Roda mulai berputar bahkan pada tegangan koil 3 V, lebih rendah dari 5,5–6 V pada penggerak 4 koil sebelumnya
- 250 magnet neodymium 2×1 mm juga diuji
- Satu magnet diperkirakan sekitar 0,2 g, dan dapat dengan mudah mengangkat 35 g, sekitar 175 kali bobotnya sendiri
- Namun ukurannya terlalu kecil sehingga perakitan dan pemeriksaan polaritas sangat sulit, dan memasang 64 magnet ke roda secara manual sangat rawan kesalahan serta sulit
- Perubahan besar terakhir adalah memindahkan koil ke bagian dalam roda
- Koil internal dan potongan stator yang kompleks dirancang untuk memanfaatkan sekitar 90% magnet
- Versi koil internal pertama dikerjakan ulang setelah mengalami kesalahan perhitungan sudut dan masalah baut yang menonjol
- Setelah dikerjakan ulang, step lambat dan cepat sama-sama dimungkinkan, torsinya besar, dan beroperasi senyap seperti sebelumnya
Hasil dan pekerjaan yang tersisa
- Pada kondisi terakhir, pendekatan “large wheel” dianggap selesai dari sudut pandang invensi, dan sisanya dirangkum sebagai masalah engineering
- Waktu yang berlalu sejak mulai: 16 hari
- Waktu kerja aktual disebut tidak ingin diungkapkan
- Prototipe mencapai lebar karakter standar, penjajaran akurat, dan gerakan yang dibutuhkan
- Terpenuhinya lebar karakter 7,6 mm dinilai sebagai pencapaian tantangan utama
- Namun penampang roda 46 mm dan tinggi sekitar 64 mm lebih besar dari yang diinginkan
- Estimasi biaya untuk komponen mekanis dan elektromekanis sekitar 2 dolar
- Bearing diperkirakan sekitar 0,10 dolar dalam volume besar
- Magnet pada kuantitas saat ini berharga 0,20 dolar per buah, dan dalam volume besar dapat turun hingga 0,02 dolar per buah
- Biaya magnet dihitung sekitar 1,30 dolar, kawat tembaga 0,50 dolar, baja beberapa sen, dan plastik sekitar 0,20 dolar
- Untuk komponen elektronik dan perakitan, masih tersisa anggaran target 3 dolar
- Untuk menjadi produk nyata, diperlukan optimasi berikut
- Ukuran, biaya, konsumsi daya, umur pakai, torsi gerak, torsi tahan
- Manufakturabilitas, pemilihan material, desain elektromagnetik, otomasi perakitan
- Kemudahan servis seperti penggantian sel dan perbaikan
- Arah yang masih bisa ditangani berikutnya mencakup pendekatan memakai roda 3-bit secara berjajar dan display berbasis matriks
- Pendekatan serupa berbasis roda juga ditemukan di luar proyek ini
- Display Braille Utopia Mechanicus 2017 tampak hampir kembar dalam struktur roda dan jendela
- Perbedaannya ada pada sistem penggerak dan cara penyelarasan kode, dan desain tersebut dinilai memiliki banyak kelonggaran serta akan mahal
1 komentar
Komentar Hacker News
Dari sudut pandang penyandang tunanetra, kebisingan, konsumsi daya, dan daya tahan adalah faktor yang cukup bisa dikompromikan
Kalau dulu ada display Braille di sekolah dan universitas, rasanya saya akan jauh lebih sedikit kesulitan menghadapi soal matematika. Selama berfungsi dengan baik dan murah, ini akan menjadi kemajuan besar bagi banyak orang
Dibandingkan display yang ada, daya bukanlah faktor yang semahal itu; kebisingan bisa dikurangi atau sekadar diterima; dan komponen penting bisa dirawat dengan baik. Yang lebih sulit adalah pihak yang harus mengeluarkan uang
Pembaca layar sempurna untuk teks biasa dan navigasi GUI, tetapi objek multidimensi seperti rumus lebih mudah dipahami ketika bisa diraba dengan tangan
Kita bisa membayangkan struktur seperti printer 3D dengan gantry XY, sumbunya dapat bergerak bebas sehingga perangkat membaca koordinat yang digerakkan pengguna. Di dalamnya ada motor servo kecil yang menggerakkan stylus pada sumbu Z, dan saat melihat gambar, putih dipetakan ke bawah dan hitam ke atas
Dengan begitu, grafik 2D sederhana atau mungkin juga rumus bisa “dilihat”. Kalau memakai motor umpan balik gaya pada gantry XY untuk sedikit menuntun stylus agar tetap berada di atas garis, sepertinya kegunaannya juga akan meningkat
Perangkat seperti ini tampaknya mungkin dibuat dengan biaya sekitar 200–300 dolar
Misalnya suara melengkapi informasi sesuai posisi tempat display disentuh atau dibaca
Ini contoh indah dari narasi inovasi yang membuat para CTO perusahaan besar sulit tidur
Jika ada orang luar yang sangat cerdas, punya kertas dan pena, komputer, printer 3D, serta tinggal di tempat yang bisa menerima kiriman AliExpress, ia bisa berpindah-pindah antara teori, eksperimen, dan kurang tidur lalu dalam beberapa minggu membuat bukti konsep yang disruptif
Semoga proyek ini benar-benar berjalan baik, atau orang lain terinspirasi untuk membuat pembaca Braille menjadi murah
[0]: Inspirasi proyek ini dimulai 48 hari lalu: https://news.ycombinator.com/item?id=39159476
https://news.ycombinator.com/user?id=jacquesm
Saya suka nuansa tulisan ini yang seperti pameran sains
Secara pribadi, sebelum memilih pendekatan roda bermotor yang cukup besar, saya mungkin akan melihat lebih banyak opsi. Yang terlintas adalah memakai ulang mesin tik listrik tipe bola dari era 80–90-an; bolanya punya huruf timbul dan sudah memiliki kontrol posisi presisi tinggi
Opsi lain adalah display mikrofluida. Itu metode yang pernah dieksperimenkan produsen ponsel pada awal 2010-an untuk umpan balik taktil pada keyboard layar. Setelah mencari, tim University of Michigan ternyata sudah memakai persis metode itu untuk display Braille 8 tahun lalu [1], dan sekarang sedang dipisahkan menjadi perusahaan
Perusahaan yang mengerjakan layar sentuh “pop-up” 10 tahun lalu adalah Tactus [2]. Di sisi elektromekanis, sudah ada gerakan open source dan hasilnya juga terlihat cukup menarik [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
Bukankah bisa juga dibuat lubang jarum yang sangat kecil lalu meniupkan udara melalui lubang itu?
Jika ukuran lubang dan aliran udara bisa diatur agar terasa jelas di ujung jari, perangkat ini bisa digerakkan oleh katup yang jauh lebih besar dan lebih berjauhan, sehingga komponen mekanisnya tidak perlu begitu kecil dan presisi
Pada akhirnya yang penting hanyalah bisa merasakan sesuatu, tidak harus benar-benar ada benda di titik itu. Bisakah kita memberi tegangan, muatan kapasitif, atau sinyal pada satu titik agar terasa seperti ada sesuatu?
Secara intuitif, “permukaan halus terasa bergelombang” memang aneh, tetapi hal-hal yang lebih aneh pun pernah benar-benar terjadi
Jika memungkinkan, seluruh perangkat tidak memiliki komponen padat yang bergerak dan bisa dibuat sebagai satu objek cetak 3D besar. Pengecualiannya mungkin satu membran karet besar yang menaikkan titik dengan tekanan fluida, sumber tekanan, dan katup yang terhubung ke elektronik untuk memasukkan data tampilan
Atau, buat shift register besar dengan logika fluida, lalu beri penguat pada tiap bit untuk mengeluarkan sinyal ke tiap titik
Tantangannya adalah perangkat dari masa kejayaan logika fluida tidak berfungsi pada bilangan Reynolds rendah yang muncul di perangkat lebih kecil. Teknologi dari bidang mikrofluida baru mungkin bisa melakukannya, tetapi saya tidak tahu apakah tekanan yang cukup untuk dirasakan dengan tangan atau untuk menaikkan membran karet bisa dikendalikan
Sepengetahuan saya tidak ada produk komersial seperti itu, dan kalaupun ada harganya akan terlalu mahal. Pada akhirnya harus dirancang ulang dengan metode yang belum diketahui agar sesuai dengan biaya produksi rendah
Kebanyakan katup bekerja secara elektromagnetik, yaitu berbasis solenoid, sehingga ada juga masalah kontrol listrik. Secara keseluruhan ini bukan jalur solusi yang menarik
Menurut saya desain berbasis PCB akan lebih baik untuk desain yang layak diproduksi massal
Lihat karya Carl Bugeja
https://www.youtube.com/watch?v=oa6sP-joAr8
Ada opsi seperti motor, solenoid, rem elektromekanis, dan mekanisme compliant
Namun bidang ini cukup edge case, sehingga jarang dikembangkan secara terbuka; masih ada tantangan untuk menyeimbangkan kebutuhan kelistrikan dan kontrol, kebutuhan fisik, kerapatan elektromagnetik, pemilihan komponen, proses manufaktur, dan biaya
Yaitu menaruh setiap “titik” di atas magnet kecil dan menggerakkannya dengan PCB yang berisi kumparan
Dulu saya pernah membuat prototipe layar braille dengan konsep serupa, tetapi alih-alih roda berputar, saya memakai slider linear untuk setiap kolom
Sayangnya proyek itu terdistraksi ke hal lain, dan saya akhirnya tidak pernah menemukan cara terbaik untuk memasang aktuator
Saya bangga karena desain saya bisa dibuat dari satu lembar pelat yang dipotong laser dan dirakit tanpa lem maupun pengikat. Tentu saja ini tidak termasuk mekanisme yang diperlukan untuk menggerakkan slider
Gambar: https://retr0.id/media/38116918-4023-437b-9a48-d2ffb1d02dbf/...
Video demo singkat: https://twitter.com/David3141593/status/1639261097252233220 Di caption video tertulis gesekannya besar, tetapi setelah diamplas, sepenuhnya baik-baik saja
Ide lain adalah, alih-alih titik taktil fisik, memberi tegangan di antara dua kontak dengan ukuran dan posisi yang sesuai agar bisa dirasakan oleh ujung jari
Jangan sampai setinggi yang membuat tidak nyaman, dan bisa diproduksi seperti PCB biasa
Mungkin tegangan antar titik perlu dimultipleks agar arus tidak mengalir di antara titik-titik yang berbeda, melainkan arus pada jari hanya mengalir di area kecil tiap titik
Karena pengguna kemungkinan akan memakainya selama berjam-jam hampir setiap hari
Saat membaca tulisan ini, saya sangat merasa bahwa mereka memakai printer yang tidak cocok untuk tugas ini
Komponen seperti ini secara alami cocok untuk printer resin. Celah penyelarasan pada #8 bisa dibuat dengan andal memakai printer resin, dan menurut saya kualitas titiknya juga akan lebih baik
Selain itu, kecepatan cetak printer resin bergantung pada tinggi sumbu Z, bukan volume komponen. Jadi sebanyak apa pun roda yang muat di bed bisa dicetak dalam waktu yang sama dengan mencetak satu roda, dan dengan printer resin mungkin hanya sekitar 10 menit
Resin juga memiliki pilihan sifat material yang jauh lebih luas dibanding cetak filamen, dan untuk penggunaan ini, resin cetak yang paling tangguh akan lebih kuat daripada filamen apa pun sehingga umur komponen juga lebih panjang
Setelah prosesnya ditetapkan, komponen bisa dicetak berlapis-lapis, dilepas, lalu dikumpulkan untuk curing UV. Jika tidak masalah memantau mesin lebih sering, jig magnetik juga bisa dipakai, dan dari pelat seperti itu komponen akan terlepas begitu saja
Karena #8, tulisan ini terbaca seolah ada pekerjaan besar akibat masalah presisi printer pada spoke penyelarasan, tetapi dengan printer resin desain itu bisa dieksplorasi lebih jauh
Pendekatan lain bisa berupa membuat loop kain yang dapat disisipi braille timbul dari sisi kanan, lalu menarik loop itu ke kiri
Cara membacanya seperti papan LED berjalan, tetapi berupa sabuk kain dengan titik-titik menonjol
Secara mekanis, cara paling sederhana mungkin menempatkan kawat nitinol dalam arah vertikal, yaitu sejajar dengan benang pakan. Untuk mencetak satu karakter braille, tekan dua kawat nitinol untuk membuat titik menonjol di posisi yang tepat, lalu gerakkan sabuk kain ke kiri
Pada bagian balik yang tersembunyi di bawah area tampilan, kawat nitinol bisa dikembalikan ke keadaan semula
Atau teknik apa pun untuk menaruh simpul yang mudah dilepas pada kain layak dicoba. Bisa juga berupa cara sederhana: mendorong sebuah loop ke atas melalui sabuk kain untuk titik braille, lalu menariknya kembali pada jalur balik
Kalau saya tidak melewatkan sesuatu, tulisan ini tampaknya mengasumsikan sel braille 6 titik
Namun semua layar braille yang pernah saya tangani sejauh ini memakai sel 8 titik, dan standar itu disebut braille komputer