किफायती wheel-आधारित refreshable Braille display

 (jacquesmattheij.com)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-03-18 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • मौजूदा refreshable Braille displays में कीमत और accessibility बड़ी बाधाएं हैं, इसलिए Jacques Mattheij और Mahmoud Al-Qudsi ने wheel-आधारित low-cost structure को proof of concept के रूप में प्रयोग किया
  • design की मुख्य कठिनाई Braille specs—dot diameter 1.6mm, dot spacing 2.5mm, cell width 7.6mm—के भीतर एक छोटा mechanical drivetrain भरोसेमंद तरीके से फिट करने में है
  • ballpoint pen click-style pins, odometer-style cams और 3-bit small wheel से गुजरते हुए, एक बड़े character wheel में 64 six-dot Braille combinations रखने की feasibility साबित हुई
  • permanent magnets, relay coils, H-bridge, 3-phase stepper और internal coil structure को क्रम से test किया गया; अंतिम prototype slow steps और fast steps दोनों कर सकता है और quiet तथा पर्याप्त torque वाली स्थिति तक पहुंच गया
  • यह अभी product नहीं, बल्कि proof of concept चरण में है; वास्तविक productization के लिए manufacturability, materials, electromagnetic design, cost reduction, lifetime, serviceability और power consumption optimization बाकी हैं

low-cost Braille display मुश्किल क्यों है

  • Mahmoud Al-Qudsi समय-समय पर सस्ता और आसानी से बनाया जा सकने वाला Braille reader विकसित करते रहे हैं, और उन्होंने 8 codes वाले octagonal wheel का इस्तेमाल करने वाले device का patent भी कराया था
  • mass-produced precision devices बेहद सस्ते हो चुके इस दौर में भी सस्ते Braille readers का लगभग न होना ही शुरुआती बिंदु है
    • devices महंगे, fragile और मिलना मुश्किल हैं
    • दुनिया भर में visually impaired लोगों की संख्या लगभग 40 million है, और reader accessibility सिर्फ developing countries में नहीं बल्कि developed countries में भी सीमित है
  • Braille को technical implementation की सुविधा के बजाय उंगली से पढ़ने में आसान format के आधार पर define किया गया है, जिससे display implementation में बेहद छोटे mechanical parts को precision से move कराने की mechanical challenge पैदा होती है
  • spec में दिए गए dimensions इस प्रकार हैं
    • dot diameter: 1.6mm
    • dots के बीच distance: 2.5mm
    • cell width: 7.6mm
    • line height: 10mm
  • सबसे सस्ता 40-cell 8-dot display भी लगभग $700, यानी करीब $2 per dot है, और ज्यादातर products इससे कहीं ज्यादा महंगे हैं
  • target price cell प्रति $5 रखा गया है, और low-cost materials, special tools को न्यूनतम रखना और आसान manufacturing को अहम conditions माना गया है

मौजूदा market और design criteria

  • मौजूदा devices में कई designs कीमत से ज्यादा usability और durability को प्राथमिकता देते हैं, और जिन products के price targets थे वे भी व्यवहार में target से काफी ऊपर चले गए
  • American Foundation for the Blind का overview article device prices को $3,500–15,000 बताता है, लेकिन competitively priced Orbit 20 को शामिल नहीं करता, जिसे अजीब माना गया
  • उदाहरण के products, prices और features
    • Orbit 20: size 17×11×3cm, competitively priced के रूप में उल्लेखित
    • Brailliant BI 40X: “Gold Standard” के रूप में उल्लेखित, लगभग 3,500 euros
    • Canute: 1,900 pounds, cell count की तुलना में बहुत सस्ता, लेकिन बहुत noisy और slow
    • यह भी जोड़ा गया कि Canute बाद में Mahmoud के wheel का इस्तेमाल करता हुआ लगता है
  • अगर Orbit 20 की per-cell price $35 मानी जाए, तो 1980s text terminal के बराबर 80×25 class device लगभग $70,000 का होगा
  • per-cell price range नीचे Canute के $7 से लेकर ऊपर $100 तक है
  • MVP के लिए महत्वपूर्ण conditions ये हैं
    • safety, ताकि fingers, hair, clothes या jewellery के लिए खतरा न बने
    • low noise, low weight, लंबे समय तक बिना power इस्तेमाल, standard software और use cases का support
    • character quality: dot height, spacing और alignment uniform हों, और touch करने पर dots move न करें
    • लंबी lifetime, कम moving parts, water/dust resistance, आसान repair
    • USB-C power, low power consumption, लगभग 0.5Hz update speed
  • जिन चीजों पर compromise नहीं किया जाएगा वे हैं character quality, characters के बीच distance, correct character display, पूरा 6-bit set और noise level

mechanical ideas से full character wheel तक

  • पहला प्रयोग हर dot के लिए ballpoint pen click-style mechanism इस्तेमाल करने का था
    • advantages: सस्ता, lock हो जाता है, और lock होने के बाद power consume नहीं करता
    • disadvantages: noisy, bulky, 2.5mm dot spacing के भीतर फिट करना मुश्किल, और parts count ज्यादा
    • 4:1 scale पर 6 low-cost retractable pens से test किया गया, लेकिन miniaturization और lifetime issues सामने आने पर इसे रोक दिया गया
  • दूसरा axis car के mechanical odometer की तरह wheels को side-by-side रखना और cams या dots से ही Braille display करना था
    • cam और spring pin approach wear और high-precision parts की density की वजह से महंगी हो सकती है
    • अगर dots को wheel surface पर directly रखा जाए, तो pushrods, slides और separate pins की जरूरत नहीं रहती और parts count घटता है
  • 3-bit wheel experiment में एक wheel पर possible combinations को overlap करके rotation amount घटाने का तरीका आजमाया गया
    • 3 dots के combinations को 8 faces पर अलग-अलग रखा जाए तो पूरे 360-degree rotation की जरूरत होती है
    • combinations को overlap करके रखा जाए तो 120-degree segment में भी पूरा pattern रखा जा सकता है, और desired pattern तक पहुंचने के लिए maximum सिर्फ 1/6 rotation move करना पड़ता है
  • thin wheel experiments में wheel width को 2.6mm तक घटाया गया और dot spacing को spec के करीब matching किया गया
    • लेकिन 1:1 scale पर resolution इतना कम था कि आंखों से भी dots अलग करना मुश्किल था
  • इसके बाद design पूरे 6-dot Braille combinations, यानी 64, को एक ही wheel में रखने की approach पर shift हुआ
    • minimum dot spacing 2.3mm और dot diameter 1.5mm इस्तेमाल करने पर 64 positions के लिए जरूरी linear length 147mm है
    • इस calculation से wheel diameter लगभग 46mm निकला
    • advantage यह है कि drive problem सरल हो जाती है: एक wheel को index करके desired position तक घुमा देना काफी है
    • disadvantage यह है कि line spacing और पूरे device का size बड़ा हो जाता है
  • 46mm wheel के आधार पर 80×10 line screen लगभग 61cm wide, 46cm high होगी, और 40×10 बड़े laptop area के करीब होगी

electromagnetic drive experiments का evolution

  • full character wheel में आखिरकार drivetrain और locking structure मुख्य problem के रूप में बचे
    • gears, worm gears, motors, clutches और carriage methods में cost, wear, noise और single point of failure की समस्याएं हैं
    • character position थोड़ी भी हिलने पर misread हो सकता है, इसलिए drivetrain backlash को concept failure माना जाना चाहिए, ऐसा निष्कर्ष निकला
  • wheel को stepper rotor की तरह इस्तेमाल करने का idea आगे बढ़ा
    • शुरुआती phase में 4 coils और 8 magnets के साथ 32 steps/revolution half-step operation test किया गया
    • शुरुआती draft में भी यह चला, और half-step mode में 200 steps per second, यानी लगभग 3.5 revolutions/second तक दिखा
    • desired character हमेशा आधे turn के भीतर होता है, इसलिए update time लगभग 1/7 second calculate किया गया
  • 16 magnets वाला अधिक accurate version शुरू में नहीं चला, लेकिन एक coil की ground internally disconnected होने की problem मिलने के बाद चलने लगा
    • radial magnet arrangement थोड़ा बेहतर चला, कम voltage पर start हुआ और तेजी से stabilize हुआ
    • device बहुत quiet था, इतना कि कान पास लाने पर भी सुनाई नहीं देता था
  • magnet और coil structure में airgap बार-बार key issue बना
    • अगर airgap magnet thickness के करीब जितना बड़ा हो, तो magnetic field का ज्यादातर हिस्सा leak हो जाता है
    • bolts के ends को grind करके magnets के और करीब लाने पर torque difference काफी बढ़ा, और 7V·0.6A पर 700 steps/second, 8V·0.7A पर 1000 steps/second मिला
  • 3-phase stepper method भी test किया गया
    • L293 से 3-phase drive बनाया गया, और 16-magnet wheel ने पहले से ज्यादा torque दिया, smoother acceleration किया और controller output के सिर्फ 3 bits use किए
    • coil voltage 3V पर भी rotation शुरू हो गया, जो पिछले 4-coil drive के 5.5–6V से कम था
  • 2×1mm neodymium magnets के 250 pieces के साथ भी experiment किया गया
    • एक magnet लगभग 0.2g का अनुमानित था, और 35g आसानी से उठा लेता था, यानी अपने weight का करीब 175 times
    • लेकिन वे बहुत छोटे थे, इसलिए assembly और polarity checking बेहद मुश्किल थी; 64 magnets को wheel में manually लगाना error-prone और कठिन था
  • अंतिम बड़ा shift coils को wheel के अंदर ले जाने वाली structure थी
    • internal coil और complex stator pieces को magnets का करीब 90% उपयोग करने के लिए design किया गया
    • पहले internal coil version में angle calculation error और protruding bolt issue के बाद rework किया गया
    • rework के बाद slow steps और fast steps दोनों संभव हुए, torque ज्यादा था और यह पहले की तरह quiet चला

results और बाकी tasks

  • अंतिम स्थिति में “large wheel” approach invention के लिहाज से पूरी हो चुकी थी, और बाकी चीजें engineering problems के रूप में summarize की गईं
    • शुरू होने के बाद elapsed time 16 days था
    • actual invested time बताना नहीं चाहते, ऐसा कहा गया
  • prototype ने standard-width characters, accurate alignment और required movement achieve किया
    • character width 7.6mm satisfy होना मुख्य challenge पूरा होने के रूप में आंका गया
    • हालांकि wheel cross-section 46mm और height लगभग 64mm है, जो desired size से बड़ा है
  • cost estimate mechanical और electromechanical parts के आधार पर लगभग $2 है
    • bearings bulk में लगभग $0.10 अनुमानित हैं
    • magnets मौजूदा quantity में $0.20 each हैं, और bulk में $0.02 each तक घट सकते हैं
    • magnet cost लगभग $1.30, copper wire $0.50, steel कुछ cents और plastic करीब $0.20 calculate किया गया
    • electronics और assembly के लिए target budget में $3 बाकी हैं
  • actual productization के लिए ये optimizations जरूरी हैं
    • size, cost, power consumption, lifetime, movement torque, holding torque
    • manufacturability, material selection, electromagnetic design, assembly automation
    • cell replacement और repair जैसी serviceability
  • आगे के बचे directions में 3-bit wheels को side-by-side इस्तेमाल करने वाली approach और matrix-based display को फिर से लिया जा सकता है
  • बाहर भी समान wheel-based approaches देखी गई हैं
    • Utopia Mechanicus का 2017 Braille display wheel और window structure में लगभग twin जैसा दिखता है
    • फर्क drivetrain और code alignment method में है, और उस design में backlash ज्यादा और cost ऊंची होने की संभावना मानी गई

संबंधित पढ़ाई

1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-03-18
Hacker News की राय

  • दृष्टिबाधित व्यक्ति के नज़रिए से देखें तो शोर, बिजली की खपत और टिकाऊपन ऐसे पहलू हैं जिन पर काफ़ी हद तक समझौता किया जा सकता है
    अगर स्कूल और कॉलेज में Braille display होता, तो मुझे गणित की समस्याओं से बहुत कम जूझना पड़ता। बस वह सही से काम करे और सस्ता हो, तो यह बहुत लोगों के लिए बड़ी प्रगति होगी
    मौजूदा displays की तुलना में बिजली इतनी महंगी चीज़ नहीं है, शोर को कम किया जा सकता है या बस सहा जा सकता है, और अहम पुर्ज़ों की अच्छी देखभाल की जा सकती है। ज़्यादा मुश्किल हिस्सा तो पैसा खर्च करवाना है
    Screen readers सामान्य text और GUI navigation के लिए बेहतरीन हैं, लेकिन समीकरणों जैसी बहुआयामी objects को हाथ से छूकर समझना ज़्यादा आसान होता है

    • क्या किसी तरह का reverse plotter मददगार हो सकता है?
      3D printer जैसा XY gantry हो, और axes स्वतंत्र रूप से चलें ताकि device उपयोगकर्ता द्वारा हिलाए जा रहे coordinates पढ़ सके—ऐसी संरचना की कल्पना की जा सकती है। अंदर एक छोटा servo motor हो जो stylus को Z-axis में चलाए, और image देखते समय सफ़ेद को नीचे और काले को ऊपर map करे
      इससे साधारण 2D graphs या शायद equations भी “देखे” जा सकेंगे। अगर XY gantry में force-feedback motors लगाकर stylus को line पर बने रहने के लिए हल्का-सा guide किया जाए, तो usability भी बेहतर हो सकती है
      ऐसी चीज़ लगभग 200–300 डॉलर में संभव लगती है
    • सोचता हूँ कि low-resolution Braille display में heat, vibration या piezoelectric जैसे तरीकों को जोड़कर, touch sensing और context-based speech synthesis लगा दिया जाए तो कैसा रहेगा
      यानी display को छूने या पढ़ने की जगह के आधार पर speech से पूरक जानकारी दी जाए

  • यह innovation narrative का सुंदर उदाहरण है, जो बड़ी कंपनियों के CTOs की नींद उड़ा देता है
    कोई बहुत होशियार outsider, जिसके पास कागज़-कलम, computer, 3D printer हो और जो ऐसी जगह रहता हो जहाँ AliExpress delivery आती हो, theory, experiments और नींद की कमी के बीच झूलते हुए कुछ ही हफ्तों में disruptive proof of concept बना सकता है
    उम्मीद है यह project सच में अच्छा निकले, या दूसरे लोग इससे प्रेरित होकर Braille readers को सस्ता बना दें
    [0]: इस project की प्रेरणा 48 दिन पहले शुरू हुई थी: https://news.ycombinator.com/item?id=39159476

  • इस लेख का science fair जैसा एहसास अच्छा लगा
    व्यक्तिगत रूप से, इतने बड़े motorized wheel वाले तरीके पर जाने से पहले मैं और विकल्प देखता। एक विचार 80–90 के दशक के ball-type electric typewriters को फिर से इस्तेमाल करने का है; ball पर उभरे हुए अक्षर होते थे और उसमें पहले से high-precision position control मौजूद था
    दूसरा विकल्प microfluidic display है। Phone makers 2010s की शुरुआत में on-screen keyboard के tactile feedback के लिए इसी तरीके पर experiments कर रहे थे। खोजने पर पता चला कि University of Michigan की एक team ने 8 साल पहले बिल्कुल यही Braille display में इस्तेमाल किया था [1], और अब वह company के रूप में spin out हो रही है
    10 साल पहले “popup” touchscreen बनाने वाली company Tactus थी [2]। Electromechanical side पर पहले से open source movement है और उसके काफ़ी दिलचस्प नतीजे भी दिखते हैं [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

  • बहुत छोटे pinholes बनाकर उन छेदों से हवा फूँकने का तरीका भी संभव नहीं होगा क्या?
    अगर छेद का आकार और air flow इस तरह control किया जाए कि उंगलियों के पोरों से साफ़ महसूस हो सके, तो इसे कहीं बड़े और दूर रखे valves से भी चलाया जा सकता है, जिससे mechanical parts को इतना सूक्ष्म और precise होने की ज़रूरत नहीं रहेगी
    आखिरकार ज़रूरत सिर्फ़ कुछ महसूस करने की है; सचमुच उस जगह कोई object होना ज़रूरी नहीं। क्या किसी बिंदु पर voltage, capacitance charge या signal देकर मौजूदगी जैसा एहसास कराया जा सकता है?
    “चिकनी सतह उभरी-खुरदरी महसूस होती है” यह intuitively अजीब है, लेकिन इससे भी अजीब चीज़ें सच में हो चुकी हैं

    • मुझे लगा था कि 3D printed fluidic logic से कुछ किया जा सकता है
      अगर संभव हो, तो पूरे device में कोई solid moving parts न हों और इसे एक बड़े 3D print के रूप में बनाया जा सके। अपवाद बस एक बड़ी rubber membrane होगी जो fluid pressure से dots उठाए, pressure source, और display data डालने के लिए electronics से जुड़े valves
      या fluidic logic से एक बड़ा shift register बनाया जाए, और हर bit के लिए amplifier रखकर हर dot पर output दिया जाए
      मुश्किल यह है कि fluidic logic के स्वर्णकाल में बने devices छोटे devices में दिखने वाले low Reynolds number पर काम नहीं करते। नए microfluidics field की technology शायद यह संभव करे, लेकिन पता नहीं कि वह हाथ से महसूस होने या rubber membrane उठाने लायक पर्याप्त pressure control कर पाएगी या नहीं
    • संभव तो है, लेकिन standard Braille density पर आपको अभी भी ऐसे सस्ते valves चाहिए होंगे जिनका आकार एक dot cell से छोटा या लगभग उतना ही हो
      मेरी जानकारी में commercial product के रूप में ऐसा कुछ नहीं है, और अगर हो भी तो कीमत बहुत ज़्यादा होगी। आखिरकार कम manufacturing cost के हिसाब से कोई अज्ञात तरीका नए सिरे से design करना पड़ेगा
      ज़्यादातर valves electromagnetic, यानी solenoid-based, होते हैं, इसलिए electrical control की समस्या भी है। कुल मिलाकर यह कोई बहुत आकर्षक solution path नहीं है
    • “चिकनी सतह उभरी-खुरदरी महसूस होती है” intuitively अजीब है, लेकिन Force Touch जैसा कुछ करके—एक uniform trackpad के बजाय छोटे dots की matrix में बाँटने पर—यह कितना अच्छा काम करेगा, यह जानने की उत्सुकता है

  • PCB-आधारित डिज़ाइन mass producibility design के लिए बेहतर लगता है
    Carl Bugeja का काम देखा जा सकता है
    https://www.youtube.com/watch?v=oa6sP-joAr8
    मोटर, solenoid, electromechanical brake, compliant mechanism जैसे विकल्प हैं

    • मेरे prototype ने भी Carl की वजह से यही approach अपनाया और यह सच में काम करता है
      हालांकि यह क्षेत्र काफ़ी edge case है, इसलिए public तौर पर development कम ही होती है; electrical/control requirements और physical requirements, electromagnetic density, component selection, manufacturing process और cost के बीच संतुलन बनाना अब भी चुनौती है
    • अगर बात इतनी ही है, तो शायद ज़्यादा पारंपरिक तरीके पर लौटना बेहतर हो सकता है
      यानी हर “dot” को एक छोटे magnet के ऊपर रखना और coils वाले PCB से drive करना

  • पहले मैंने इसी से मिलते-जुलते concept पर Braille display prototype बनाया था, लेकिन rotating wheel की जगह हर column में linear slider इस्तेमाल किए थे
    दुर्भाग्य से project में मैं दूसरी चीज़ों में भटक गया, और actuators लगाने का सबसे अच्छा तरीका आखिर तक नहीं ढूंढ पाया
    अपने design पर मुझे गर्व था कि इसे एक ही sheet से laser-cut करके बनाया जा सकता था और यह glue या fasteners के बिना assemble हो जाता था। हालांकि slider को drive करने के लिए ज़रूरी mechanism इसमें शामिल नहीं था
    image: https://retr0.id/media/38116918-4023-437b-9a48-d2ffb1d02dbf/...
    छोटा demo video: https://twitter.com/David3141593/status/1639261097252233220 video caption में लिखा था कि friction ज़्यादा है, लेकिन sanding के बाद यह पूरी तरह ठीक हो गया था

  • एक और idea यह है कि वास्तविक tactile dots की जगह सही size और position वाले दो contact points के बीच voltage लगाया जाए, ताकि fingertip से महसूस किया जा सके
    voltage इतना high न हो कि असुविधा हो, और इसे सामान्य PCB की तरह manufacture किया जा सकता है
    शायद dots के बीच voltage को multiplex करना होगा, ताकि अलग-अलग dots के बीच current न बहे और finger current सिर्फ हर dot के छोटे region के अंदर ही बहे

    • यह काम कर सकता है और बहुत simple solution है, लेकिन मैं यह ज़रूर confirm करना चाहूंगा कि इससे long-term nerve damage की संभावना तो नहीं है
      क्योंकि user इसे लगभग हर दिन कई घंटों तक इस्तेमाल करेगा

  • यह लेख पढ़ते हुए strongly लगता है कि काम के लिए गलत printer इस्तेमाल हो रहा है
    ऐसे parts resin printer के लिए naturally fit हैं। #8 में बताए गए alignment slits resin printer से reliably बनाए जा सकते हैं, और dot quality भी बेहतर होगी
    इसके अलावा resin printer की print speed part volume पर नहीं, बल्कि Z-axis height पर निर्भर करती है। इसलिए bed में जितने wheels fit हों, उतने सारे एक wheel print करने जितने ही समय में निकाले जा सकते हैं, और resin printer पर यह करीब 10 मिनट होना चाहिए
    resin में filament printing की तुलना में material properties के विकल्प भी कहीं ज़्यादा हैं, और इस use case में सबसे tough printing resin किसी भी filament से ज़्यादा strong होगा, जिससे part life भी लंबी होगी
    process set हो जाने के बाद, इन्हें layers में print करके अलग किया जा सकता है और फिर bundle करके UV cure किया जा सकता है। अगर machine को ज़्यादा बार देखना ठीक हो, तो magnet fixture भी इस्तेमाल किया जा सकता है, और ऐसी plate पर ये बस popping-off जैसे अलग हो जाएंगे
    #8 की वजह से ऐसा पढ़ता है मानो alignment spokes के printer precision issue ने काफी बड़ा task बना दिया हो, लेकिन resin printer से उस design को और गहराई से explore किया जा सकता है

  • एक अलग approach यह हो सकता है कि दाईं ओर से उभरे हुए Braille dots को सिलकर डालने के लिए fabric loops बनाए जाएं और फिर उस loop को बाईं ओर खींचा जाए
    यह scrolling LED sign की तरह पढ़ा जाएगा, बस यह protruding dots वाली fabric belt होगी
    mechanically सबसे simple तरीका शायद nitinol wire को vertical direction में, यानी weft के parallel, रखना हो सकता है। Braille का एक character print करने के लिए दो nitinol wires को press करके सही position पर protruding dots बनाए जाएं, और फिर fabric belt को बाईं ओर move कर दिया जाए
    display area के नीचे छिपे return section में nitinol wire को वापस उसकी original state में लाया जा सकता है
    या fabric पर आसानी से खुल सकने वाली knot चढ़ाने की कोई भी technique आज़माई जा सकती है। यह Braille dot के लिए fabric belt के बीच से loop को ऊपर धकेलने और return path में फिर उसे निकाल लेने जितना simple तरीका भी हो सकता है

  • अगर मैं कुछ miss नहीं कर रहा हूं, तो यह लेख 6-dot Braille cell मानकर चल रहा लगता है
    लेकिन अब तक जिन भी Braille displays पर मैंने काम किया है, वे 8-dot cells इस्तेमाल करते थे, और उस standard को computer Braille कहा जाता है