- 既存のリフレッシュ可能点字ディスプレイは価格とアクセシビリティが大きな障壁となっており、Jacques Mattheij と Mahmoud Al-Qudsi がホイールベースの低価格構造を概念実証として試験
- 設計上の核心的な難題は、点の直径 1.6mm、点間隔 2.5mm、セル幅 7.6mm といった点字規格の中に、小さな機械駆動系を安定して収めることにある
- ボールペンのノック式ピン、走行距離計式カム、3ビット小型ホイールを経て、1つのホイールに64個の6点点字組み合わせを収める大型文字ホイールで動作の可能性を確認
- 永久磁石、リレーコイル、H-bridge、3相ステッパー、内部コイル構造を順に試験し、最後のプロトタイプは低速ステップと高速ステップの両方が可能で、静かで十分なトルクがある状態に到達
- まだ製品ではなく概念実証段階であり、実際の製品化には製造性、材料、電磁設計、コスト削減、寿命、保守性、消費電力の最適化が残っている
低価格な点字ディスプレイが難しい理由
- Mahmoud Al-Qudsi は安価で作りやすい点字リーダーを断続的に開発しており、8個のコードを収めた八角ホイールを使う装置の特許も取得したことがある
- 大量生産の精密機器が非常に安価になった時代にもかかわらず、安価な点字リーダーが事実上存在しないことが出発点となっている
- 装置は高価で、壊れやすく、入手しにくい
- 世界の視覚障害者は約4,000万人で、発展途上国だけでなく先進国でもリーダーへのアクセスが限られている
- 点字は技術実装のしやすさよりも、指で読みやすい形を基準に定義されているため、ディスプレイ実装では非常に小さな機械部品を精密に動かす機械的難題が生じる
- 規格で示される寸法は次のとおり
- 点の直径: 1.6mm
- 点同士の距離: 2.5mm
- セル幅: 7.6mm
- 行の高さ: 10mm
- 最も安価な40セル8点ディスプレイでも約700ドル、1点あたり約2ドル水準で、ほとんどの製品はそれよりはるかに高い
- 目標価格は1セルあたり5ドルに設定し、低価格材料、特殊工具の最小化、容易な製造を重要条件としている
既存市場と設計基準
- 既存装置は価格より使いやすさや耐久性を優先した設計が多く、価格目標があった製品でも実際には目標を大きく超えた場合がある
- American Foundation for the Blind の概要記事は装置価格を3,500〜15,000ドルとしているが、競争力のある価格の Orbit 20 が抜けており不自然だと見ている
- 例として挙げられた製品と価格・特徴
- Orbit 20: サイズ 17×11×3cm、競争力のある価格として言及
- Brailliant BI 40X: “Gold Standard” と言及され、約3,500ユーロ
- Canute: 1,900ポンド、セル数比では非常に安価だが非常にうるさく遅い
- Canute については、その後 Mahmoud のホイールを使っているように見えるとも付記
- Orbit 20 のセルあたり価格を35ドルとすると、1980年代のテキスト端末に相当する80×25級の装置は約70,000ドルになる
- セルあたり価格帯は、安いものでは Canute の7ドル、高いものでは100ドル程度
- MVP で重要な条件は次のとおり
- 指、髪、衣服、装身具が危険にさらされない安全性
- 低騒音、低重量、長い無給電使用時間、標準ソフトウェア・ユースケース対応
- 点の高さ・間隔・整列が均一で、触れても点が動かない文字品質
- 長寿命、少ない可動部品数、防水・防塵、容易な修理
- USB-C 給電、低消費電力、約0.5Hzの更新速度
- 妥協しない項目は文字品質、文字間距離、正しい文字表示、完全な 6ビットセット、騒音レベル
機械式アイデアから全文字ホイールへ
- 最初の実験は、各点ごとにボールペンのノック式メカニズムを使う方式だった
- 長所: 安価で、ロックでき、ロック後は電力消費がない
- 短所: うるさく、かさばり、2.5mm の点間隔に収めにくく、部品数が多い
- 4:1 スケールで6本の低価格 retractable pen を使って試験したが、小型化と寿命の問題が明らかになり保留となった
- 2つ目の軸は、自動車の機械式走行距離計のようにホイールを並べ、カムまたは点そのもので点字を表示する方式
- カムとスプリングピン方式は、摩耗と高精度部品の密集により高価になる可能性が高い
- 点をホイール表面に直接載せると、プッシュロッド、スライド、独立したピンが不要となり、部品数を減らせる
- 3ビットホイール実験では、1つのホイールに可能な組み合わせを重ねて配置し、回転量を減らす方法を試した
- 3点の組み合わせを8面にすべて別々に置くと、360度の全回転が必要になる
- 組み合わせを重ねて配置すると、120度区間の中にも全パターンを収められ、目的のパターンまで最大1/6回転だけ動けばよい
- より薄いホイールの実験では、ホイール幅を2.6mmまで縮小し、点間隔を規格に近い水準に合わせた
- しかし 1:1 スケールでは、目で見ても点を区別しにくいほど解像度が不足していた
- その後の設計は、6点点字の全組み合わせ64個を1つのホイールにすべて収める方式へと移行した
- 最小点間隔 2.3mm、点の直径 1.5mm を使うと、64個の位置に必要な線形長は147mm
- この計算ではホイール直径は約46mmとなる
- 長所は駆動問題が単純化し、1つのホイールをインデックスして位置まで回せば済む点
- 短所は行間隔と装置全体のサイズが大きくなる点
- 46mm ホイール基準では、80×10行画面は約61cm 幅、46cm 高さとなり、40×10は大型ノートPCの表示領域に近い
電磁駆動実験の進化
- 全文字ホイールでは、最終的に駆動系とロック機構が核心問題として残った
- ギア、ウォームギア、モーター、クラッチ、キャリッジ方式は、コスト・摩耗・騒音・単一障害点の問題がある
- 文字位置が少しでもぶれると誤読の可能性があるため、駆動系のバックラッシュは概念の失敗と見なすべきだと判断した
- ホイールをステッパーローターのように使うアイデアが続いた
- 初期には4個のコイルと8個の磁石で32ステップ/回転のハーフステップ動作を試験
- 試作初期段階でも動作し、ハーフステップモードで毎秒200ステップ、約3.5回転/秒まで確認
- 目的の文字は常に半回転以内にあるため、更新時間は約1/7秒と計算された
- 16個の磁石を使ったより高精度な版は最初は動作しなかったが、1つのコイルの接地が内部で切れていた問題を見つけた後に動作した
- 放射状の磁石配置のほうがやや良く動作し、低い電圧で始動し、より速く安定化した
- 装置は非常に静かで、耳を近づけても聞こえないほどだった
- 磁石とコイル構造では、エアギャップ (airgap) が繰り返し核心問題となった
- エアギャップが磁石の厚さに近いほど大きいと、磁場の大半が漏れてしまう
- ボルト先端を削って磁石に近づけるとトルク差が大きく増し、7V・0.6A で 700ステップ/秒、8V・0.7A で 1000ステップ/秒が得られた
- 3相ステッパー方式も試された
- L293 で3相駆動を構成し、16磁石ホイールは以前よりトルクが増し、より滑らかに加速し、コントローラー出力は3ビットだけを使用
- コイル電圧 3V でも回転し始め、以前の4コイル駆動の5.5〜6Vより低かった
- 2×1mm のネオジム磁石 250個も試験された
- 磁石1個は約0.2gと推定され、35gを容易に持ち上げ、自重の約175倍を支えた
- しかし小さすぎて組み立てと極性確認が非常に難しく、64個の磁石をホイールに手作業で入れる工程はエラーの可能性と難度が高い
- 最後の大きな転換は、コイルをホイール内側へ移す構造だった
- 内部コイルと複雑なステーター片により、磁石の約**90%**を活用するよう設計された
- 最初の内部コイル版は、角度計算ミスとボルト突出の問題を経て作り直された
- 作り直し後は低速ステップと高速ステップの両方が可能で、トルクが大きく、以前同様に静かに動作した
結果と残る課題
- 最終段階で “large wheel” 方式は発明という観点では完了し、残りはエンジニアリング上の問題として整理された
- 開始からの経過時間は16日
- 実際の投入時間は明かしたくないとしている
- プロトタイプは標準幅の文字、正確な整列、必要な動作を達成した
- 文字幅 7.6mm を満たした時点が主要な挑戦の達成と評価されている
- ただしホイール断面 46mm、高さ約64mmで、望んでいたより大きい
- コスト試算は機械・電気機械部品ベースで約2ドル
- ベアリングは大量調達で約0.10ドルと見積もられる
- 磁石は現在の数量では1個0.20ドル、大量では1個0.02ドルまで下げられる可能性がある
- 磁石コストは約1.30ドル、銅線 0.50ドル、鋼材は数セント、プラスチックは約0.20ドルと試算
- 電子部品と組み立てには目標予算3ドルが残されている
- 実際の製品化には次の最適化が必要
- サイズ、コスト、消費電力、寿命、移動トルク、保持トルク
- 製造性、材料選定、電磁設計、組み立て自動化
- セル交換や修理といった保守性
- 今後の方向性としては、3ビットホイールを並べる方式とマトリクスベースのディスプレイを再び扱う可能性がある
- 外部でも類似のホイールベースのアプローチが確認されている
1件のコメント
Hacker News のコメント
視覚障害者の立場から見ると、騒音、消費電力、耐久性はかなり大きく妥協できる要素です。
学校や大学に点字ディスプレイがあったなら、数学の問題でずっと苦労せずに済んだと思います。ちゃんと動いて安ければ、多くの人にとって大きな前進になります。
電力は既存のディスプレイと比べればそれほど高くつく要素ではなく、騒音は減らすか、あるいはそのまま受け入れられます。重要な部品はきちんと手入れすればよいでしょう。より難しいのは、お金を出す側です。
スクリーンリーダーは通常のテキストや GUI のナビゲーションには完璧ですが、数式のような多次元オブジェクトは、手で触れられるほうが理解しやすいです。
3D プリンターのような XY ガントリーがあり、軸は自由に動いて、ユーザーが動かしている座標を装置が読み取る構造を想像できます。内部には小さなサーボモーターがあってスタイラスを Z 軸方向に動かし、画像を見るときには白を下、黒を上にマッピングします。
こうすれば単純な 2D グラフや、場合によっては数式も「見る」ことができます。XY ガントリーに力覚フィードバックのモーターを使い、スタイラスが線の上に留まるよう軽く誘導すれば、使い勝手もよくなりそうです。
こうしたものは、おおよそ 200〜300ドル程度で実現できそうに見えます。
ディスプレイに触れたり読んだりしている位置に応じて、音声で補完してくれるような形です。
大企業の CTO たちを眠れなくさせるイノベーション物語の美しい例です。
非常に賢い外部の人間が、紙とペン、コンピューター、3D プリンターを持ち、AliExpress の配送が届く場所に住んでいれば、理論と実験、睡眠不足の間を行き来しながら、数週間で破壊的な概念実証を作れてしまいます。
このプロジェクトが実際にうまくいくか、あるいは他の人たちが触発されて点字リーダーを安価に作るようになるとよいですね。
[0]: このプロジェクトの着想は48日前に始まりました: https://news.ycombinator.com/item?id=39159476
https://news.ycombinator.com/user?id=jacquesm
この記事のサイエンスフェアのような雰囲気が好きです。
個人的には、かなり大きなモーター駆動の車輪方式に行く前に、もっと多くの選択肢を検討したと思います。思い浮かぶのは、80〜90年代のボール式電動タイプライターを再利用する方法です。ボールには盛り上がった文字があり、すでに高精度な位置制御が組み込まれていました。
もう一つはマイクロ流体ディスプレイです。携帯電話メーカーが2010年代初頭に、画面キーボードの触覚フィードバック用として実験していた方式です。検索してみると、University of Michigan のチームが8年前にまさにそれを点字ディスプレイに使っており [1]、現在は会社としてスピンアウトしつつあります。
10年前に「ポップアップ」タッチスクリーンを手がけていた会社は Tactus でした [2]。電気機械式の方面では、すでにオープンソースの動きがあり、かなり興味深い成果も見られます [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
ごく小さなピンホールを作り、その穴から空気を吹き込む方式も可能ではないでしょうか？
穴の大きさと空気の流れを調整して、指先ではっきり感じられるなら、もっと大きく離れた位置にあるバルブでも駆動でき、機械部品がそこまで微細で精密である必要はなくなります。
結局のところ、何かを感じられればよいのであって、実際にその場所に物体がある必要はありません。ある一点に電圧や静電容量の電荷、信号を与えて、存在感のように感じさせることはできるのでしょうか？
「なめらかな表面がでこぼこに感じられる」というのは直感的には奇妙ですが、もっと奇妙なことも実際にありました。
可能なら、装置全体に固体の可動部品がなく、1つの大きな 3D プリント品として作れます。例外があるとすれば、流体圧で点を持ち上げる大きなゴム膜1枚、圧力源、そして表示データを入力するために電子機器とつながるバルブ程度です。
あるいは、流体論理で大きなシフトレジスターを作り、各ビットごとに増幅器を置いて、各点へ出力することもできます。
難しいのは、流体論理の全盛期に作られた装置が、より小さな装置で現れる低いレイノルズ数では動作しないことです。新しいマイクロ流体分野の技術なら可能かもしれませんが、手で感じたりゴム膜を持ち上げたりするのに十分な圧力を制御できるかは分かりません。
私の知る限り商用製品としては存在せず、仮にあっても高すぎるでしょう。結局、低い製造コストに合わせた未知の方式で新たに設計する必要があります。
ほとんどのバルブは電磁式、つまりソレノイドベースで動作するため、電気制御の問題もあります。全体として、魅力的な解決ルートではありません。
PCBベースの設計のほうが、量産性を考慮した設計には向いているように思う
Carl Bugejaの取り組みを見るとよい
https://www.youtube.com/watch?v=oa6sP-joAr8
モーター、ソレノイド、電気機械式ブレーキ、コンプライアントメカニズムといった選択肢がある
ただしこの分野はかなりエッジケースなので、公開の場で開発されることが少なく、電気・制御要件と物理要件、電磁密度、部品選定、製造プロセス、コストのバランスを取る課題が残っている
各「点」を小さな磁石の上に載せ、コイル入りのPCBで駆動する方式だ
以前、似た概念で点字ディスプレイのプロトタイプを作ったが、回転ホイールの代わりに列ごとのリニアスライダーを使った
残念ながらプロジェクトで別のことに脱線してしまい、アクチュエーターを取り付ける最善の方法は結局見つけられなかった
私の設計は、1枚の板をレーザーカットして作れ、接着剤や締結具なしで組み立てられる点が自慢だった。もちろんスライダーを駆動するために必要なメカニズムは別だ
画像: https://retr0.id/media/38116918-4023-437b-9a48-d2ffb1d02dbf/...
短いデモ動画: https://twitter.com/David3141593/status/1639261097252233220 動画のキャプションには摩擦が大きいと書いたが、サンドペーパーをかけた後はまったく問題なかった
もう一つのアイデアとして、実際の触覚点の代わりに、適切な大きさと位置の2つの接点間に電圧をかけ、指先で感じられるようにする方法がある
不快なほど高くはせず、一般的なPCBのように製造すればよい
おそらく、異なる点同士の間で電流が流れず、各点の小さな領域内だけで指を通る電流が流れるように、点同士の電圧を多重化する必要があると思う
ユーザーはほぼ毎日、何時間も使うことになるからだ
これを読んでいると、用途に合っていないプリンターを使っているという印象を強く受ける
こうした部品はレジンプリンターに自然に向いている。#8の位置合わせスリットはレジンプリンターなら安定して作れるし、点の品質もより良くなると思う
しかもレジンプリンターの出力速度は部品の体積ではなくZ軸の高さに左右される。したがって、ベッドに入るだけの数のホイールを、1個出力するのと同じ時間で出せるし、レジンプリンターなら10分程度で済むだろう
レジンはフィラメント出力より物性の選択肢がはるかに広く、この用途では最もタフな出力用レジンがどんなフィラメントよりも強く、部品寿命も長くなるはずだ
工程が固まれば、層状に出力して取り外し、まとめて紫外線硬化できる。機械をより頻繁に見るのが苦でなければ磁石治具を使ってもよく、そうしたプレートでは単に弾けるように外れるだろう
#8のせいで、位置合わせスポークのプリンター精度の問題からかなり大きな課題が生じているように読めるが、レジンプリンターならその設計をもっと深く探れる
別のアプローチとして、右側で盛り上がった点字を縫い込める布製ループを作り、そのループを左へ引く方式があり得る
スクロールLED電光掲示板のように読めるが、突起点のある布ベルトになるわけだ
機械的に最も単純な方法は、ニチノールワイヤーを縦方向、つまり緯糸と平行に置くことかもしれない。点字1文字を打つには、ニチノールワイヤー2本を押して正しい位置に突起点を作り、その後で布ベルトを左へ移動させればよい
表示部の下に隠れた戻り区間では、ニチノールワイヤーを元の状態に戻せる
あるいは、簡単にほどける結び目を布に載せる何らかの技術なら試す価値がある。点字の点のために布ベルトの間から輪を押し上げ、戻り経路で再び引き抜く単純な方式でもよい
私が何か見落としていなければ、この記事は6点点字セルを前提にしているようだ
しかし、これまで扱った点字ディスプレイはすべて8点セルを使っており、その標準はコンピューター点字と呼ばれる