Un afficheur braille rafraîchissable à roue à bas coût

• Les afficheurs braille rafraîchissables existants se heurtent à un obstacle majeur de prix et d’accessibilité, si bien que Jacques Mattheij et Mahmoud Al-Qudsi ont expérimenté une architecture à roue peu coûteuse comme preuve de concept
• La principale difficulté de conception consiste à intégrer de manière fiable un minuscule mécanisme d’entraînement dans les dimensions normalisées du braille, comme un diamètre de point de 1,6 mm, un espacement des points de 2,5 mm et une largeur de cellule de 7,6 mm
• Après être passés par des broches à clic de stylo-bille, des cames de type compteur kilométrique et une petite roue 3 bits, ils ont confirmé la faisabilité avec une grande roue de caractères contenant 64 combinaisons braille à 6 points sur une seule roue
• Des aimants permanents, des bobines de relais, un H-bridge, un moteur pas à pas triphasé puis une structure à bobine interne ont été testés successivement, et le dernier prototype est parvenu à un état silencieux avec un couple suffisant, capable aussi bien de pas lents que de pas rapides
• Il ne s’agit pas encore d’un produit mais d’une preuve de concept ; pour une industrialisation réelle, il reste à traiter la fabricabilité, les matériaux, la conception électromagnétique, la réduction des coûts, la durée de vie, la maintenabilité et l’optimisation de la consommation électrique

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Pourquoi un afficheur braille à bas coût est difficile

• Mahmoud Al-Qudsi développe par intermittence un lecteur braille bon marché et facile à fabriquer, et a même déjà déposé un brevet pour un dispositif utilisant une roue octogonale contenant 8 codes
• Le point de départ est le constat qu’il n’existe pratiquement pas de lecteur braille bon marché, même à une époque où les appareils de précision produits en masse sont devenus très peu coûteux
  • Les appareils sont chers, fragiles et difficiles à se procurer
  • On compte environ 40 millions de personnes aveugles ou malvoyantes dans le monde, et l’accès aux lecteurs reste limité, aussi bien dans les pays en développement que dans les pays développés
• Le braille est défini d’abord pour être lisible au doigt, et non pour faciliter sa mise en œuvre technique, ce qui crée un défi mécanique consistant à déplacer avec précision de très petites pièces mécaniques dans un afficheur
• Les dimensions données par la norme sont les suivantes
  • Diamètre du point : 1,6 mm
  • Distance entre les points : 2,5 mm
  • Largeur de cellule : 7,6 mm
  • Hauteur de ligne : 10 mm
• Même l’afficheur 40 cellules à 8 points le moins cher coûte environ 700 dollars, soit environ 2 dollars par point, et la plupart des produits sont bien plus chers
• L’objectif de prix est fixé à 5 dollars par cellule, avec comme contraintes importantes l’usage de matériaux peu coûteux, un minimum d’outillage spécialisé et une fabrication facile

Marché existant et critères de conception

• Les appareils existants privilégient souvent l’ergonomie et la durabilité plutôt que le prix, et même les produits qui avaient un objectif de coût l’ont parfois largement dépassé en pratique
• Un article de synthèse de l’American Foundation for the Blind cite des prix de 3 500 à 15 000 dollars pour ces appareils, ce qui paraît étrange car l’Orbit 20, proposé à un prix compétitif, n’y figure pas
• Exemples de produits, avec leur prix et leurs caractéristiques
  • Orbit 20 : dimensions 17×11×3 cm, mentionné comme ayant un prix compétitif
  • Brailliant BI 40X : présenté comme le « Gold Standard », pour environ 3 500 euros
  • Canute : 1 900 livres sterling, très bon marché au regard de son nombre de cellules, mais très bruyant et lent
  • Il est ensuite ajouté que Canute semble utiliser une roue similaire à celle de Mahmoud
• Si l’on prend pour l’Orbit 20 un prix de 35 dollars par cellule, un appareil de classe 80×25 comparable à un terminal texte des années 1980 reviendrait à environ 70 000 dollars
• La fourchette de prix par cellule va d’environ 7 dollars pour le Canute jusqu’à 100 dollars
• Pour le MVP, les critères importants sont les suivants
  • Sécurité : pas de danger pour les doigts, les cheveux, les vêtements ou les bijoux
  • Faible bruit, faible poids, longue autonomie sans alimentation, prise en charge des logiciels et usages standard
  • Qualité des caractères : hauteur, espacement et alignement uniformes des points, et absence de mouvement des points au toucher
  • Longue durée de vie, faible nombre de pièces mobiles, résistance à l’eau et à la poussière, réparations faciles
  • Alimentation USB-C, faible consommation, vitesse de mise à jour d’environ 0,5 Hz
• Les points sur lesquels aucun compromis n’est accepté sont la qualité des caractères, l’espacement entre les caractères, l’affichage correct des caractères, l’ensemble complet 6 bits et le niveau sonore

Des idées mécaniques à la roue de caractères complète

• La première expérimentation consistait à utiliser un mécanisme à clic de stylo-bille pour chaque point
  • Avantages : peu coûteux, verrouillable et sans consommation après verrouillage
  • Inconvénients : bruyant, volumineux, difficile à intégrer dans un espacement de 2,5 mm entre les points, avec beaucoup de pièces
  • Un test à l’échelle 4:1 avec 6 stylos rétractables bon marché a été mené, mais les problèmes de miniaturisation et de durée de vie ont conduit à mettre cette piste en attente
• La deuxième piste consistait à aligner des roues comme dans un compteur kilométrique mécanique automobile, puis à afficher le braille par des cames ou directement par les points
  • L’approche par cames et broches à ressort risque d’être coûteuse à cause de l’usure et de la forte densité de pièces de haute précision
  • En plaçant directement les points sur la surface de la roue, il n’y a plus besoin de tiges de poussée, de glissières ni de broches séparées, ce qui réduit le nombre de pièces
• Dans l’expérience de roue 3 bits, ils ont tenté de superposer les combinaisons possibles sur une même roue afin de réduire l’angle de rotation nécessaire
  • Si les 8 combinaisons de 3 points sont toutes placées séparément sur 8 faces, il faut une rotation complète de 360 degrés
  • En superposant les combinaisons, on peut faire tenir tous les motifs dans un secteur de 120 degrés, et il suffit d’un déplacement maximal de 1/6 de tour pour atteindre le motif souhaité
• Dans une expérience avec une roue plus fine, la largeur de la roue a été réduite à 2,6 mm et l’espacement des points rapproché des dimensions normalisées
  • Mais à l’échelle 1:1, la résolution restait insuffisante au point qu’il était difficile de distinguer les points même à l’œil nu
• La conception a ensuite évolué vers une roue contenant à elle seule les 64 combinaisons complètes du braille à 6 points
  • Avec un espacement minimal de 2,3 mm entre les points et un diamètre de point de 1,5 mm, la longueur linéaire nécessaire pour 64 positions est de 147 mm
  • Cela conduit à un diamètre de roue d’environ 46 mm
  • L’avantage est que le problème d’entraînement devient plus simple : il suffit d’indexer une roue et de la faire tourner jusqu’à la bonne position
  • L’inconvénient est que l’espacement des lignes et la taille globale de l’appareil augmentent
• Avec des roues de 46 mm, un écran de 80×10 lignes ferait environ 61 cm de large pour 46 cm de haut, tandis qu’un 40×10 se rapprocherait de l’encombrement d’un grand ordinateur portable

Évolution des expérimentations de commande électromagnétique

• Avec la roue de caractères complète, le problème central reste finalement le système d’entraînement et le mécanisme de verrouillage
  • Les engrenages, vis sans fin, moteurs, embrayages et systèmes à chariot posent des problèmes de coût, d’usure, de bruit et de point de défaillance unique
  • Comme le moindre flottement de position d’un caractère peut entraîner une mauvaise lecture, le jeu mécanique dans l’entraînement est considéré comme un échec du concept
• L’idée a alors été de faire fonctionner la roue comme un rotor de moteur pas à pas
  • Au début, un mode demi-pas à 32 pas par tour avec 4 bobines et 8 aimants a été testé
  • Cela fonctionnait déjà dans la première ébauche, avec jusqu’à 200 pas par seconde en mode demi-pas, soit environ 3,5 tours par seconde
  • Comme le caractère voulu se trouve toujours à moins d’un demi-tour, le temps de mise à jour est estimé à environ 1/7 de seconde
• Une version plus précise avec 16 aimants n’a d’abord pas fonctionné, avant qu’un problème de masse interrompue à l’intérieur d’une bobine ne soit trouvé puis corrigé
  • Une disposition radiale des aimants fonctionnait légèrement mieux, démarrait à plus basse tension et se stabilisait plus rapidement
  • L’appareil était extrêmement silencieux, au point d’être inaudible même l’oreille toute proche
• Dans la structure aimants-bobines, l’entrefer (airgap) est revenu de manière répétée comme problème clé
  • Si l’entrefer devient presque aussi grand que l’épaisseur des aimants, l’essentiel du champ magnétique fuit
  • En meulant l’extrémité des boulons pour les rapprocher des aimants, le couple a fortement augmenté, avec 700 pas/s à 7 V et 0,6 A, puis 1000 pas/s à 8 V et 0,7 A
• Une approche par moteur pas à pas triphasé a aussi été testée
  • Un pilotage triphasé a été construit avec un L293, et la roue à 16 aimants offrait plus de couple qu’avant, une accélération plus fluide, tout en n’utilisant que 3 bits de sortie contrôleur
  • Elle commençait à tourner dès 3 V au niveau des bobines, contre 5,5 à 6 V pour l’entraînement précédent à 4 bobines
• Des aimants en néodyme de 2×1 mm, au nombre de 250, ont également été testés
  • Un aimant est estimé à environ 0,2 g, et soulève facilement 35 g, soit environ 175 fois son propre poids
  • Mais ils sont si petits que l’assemblage et la vérification de leur polarité deviennent très difficiles, et l’insertion manuelle de 64 aimants dans une roue est à la fois complexe et très sujette aux erreurs
• Le dernier grand changement a consisté à déplacer les bobines à l’intérieur de la roue
  • Les bobines internes et les pièces de stator plus complexes ont été conçues pour exploiter environ 90 % des aimants
  • La première version à bobine interne a dû être reprise après des erreurs de calcul d’angle et un problème de dépassement des boulons
  • Après reprise, elle permettait aussi bien des pas lents que rapides, avec beaucoup de couple et le même fonctionnement silencieux qu’auparavant

Résultat et défis restants

• Dans son état final, l’approche par « large wheel » est considérée comme achevée du point de vue de l’invention ; le reste relève désormais de problèmes d’ingénierie
  • 16 jours se sont écoulés depuis le démarrage
  • Le temps réellement investi n’est volontairement pas précisé
• Le prototype a atteint une largeur de caractère standard, un alignement précis et les mouvements requis
  • Le fait d’atteindre une largeur de caractère de 7,6 mm est considéré comme une étape majeure
  • En revanche, avec une section de roue de 46 mm et une hauteur d’environ 64 mm, l’ensemble reste plus volumineux que souhaité
• L’estimation de coût des pièces mécaniques et électromécaniques est d’environ 2 dollars
  • Les roulements sont estimés à environ 0,10 dollar pièce à grande échelle
  • Les aimants coûtent actuellement 0,20 dollar l’unité à ces volumes, et pourraient descendre jusqu’à 0,02 dollar en production de masse
  • Le coût des aimants est estimé à environ 1,30 dollar, le fil de cuivre à 0,50 dollar, quelques centimes pour l’acier et environ 0,20 dollar pour le plastique
  • Il reste un budget cible de 3 dollars pour l’électronique et l’assemblage
• Pour en faire un vrai produit, les optimisations suivantes sont encore nécessaires
  • Taille, coût, consommation électrique, durée de vie, couple en mouvement, couple de maintien
  • Fabricabilité, choix des matériaux, conception électromagnétique, automatisation de l’assemblage
  • Maintenabilité, notamment pour le remplacement et la réparation des cellules
• Parmi les pistes encore ouvertes figurent le retour à une approche avec roues 3 bits alignées et l’exploration d’un afficheur basé sur une matrice
• Des approches similaires basées sur des roues ont aussi été repérées ailleurs
  • Le braille display de 2017 d’Utopia Mechanicus présente une structure à roue et fenêtre presque jumelle
  • La différence tient au système d’entraînement et à la méthode d’alignement du code, et cette conception est jugée comme ayant beaucoup de jeu mécanique et comme étant coûteuse

[GN⁺]

Avis sur Hacker News

• Du point de vue d’une personne aveugle, le bruit, la consommation électrique et la durabilité sont des compromis assez acceptables.
  Si j’avais eu un afficheur braille à l’école et à l’université, j’aurais probablement eu beaucoup moins de difficultés avec les problèmes de maths. Tant que cela fonctionne correctement et que c’est bon marché, ce serait une grande avancée pour beaucoup de gens.
  L’énergie n’est pas un facteur si coûteux par rapport aux afficheurs existants, le bruit peut être réduit ou simplement toléré, et les pièces importantes peuvent être bien entretenues. Le plus difficile, c’est plutôt de trouver l’argent.
  Les lecteurs d’écran sont parfaits pour le texte ordinaire et la navigation dans les GUI, mais les objets multidimensionnels comme les formules sont plus faciles à comprendre quand on peut les toucher.

  • Une sorte de traceur inversé pourrait-il être utile ?
    On peut imaginer une structure avec un portique XY comme une imprimante 3D, dont les axes se déplacent librement afin que l’appareil lise les coordonnées où l’utilisateur se déplace. À l’intérieur, un petit servomoteur déplacerait un stylet sur l’axe Z, et, lors de l’affichage d’une image, le blanc serait mappé vers le bas et le noir vers le haut.
    Cela permettrait de « voir » de simples graphiques 2D, voire peut-être des équations. L’utilisabilité pourrait aussi être meilleure si l’on utilisait des moteurs à retour d’effort sur le portique XY pour guider légèrement le stylet afin qu’il reste sur la ligne.
    Un tel objet semble envisageable pour environ 200 à 300 dollars.
  • Je me demande ce que donnerait un afficheur braille basse résolution combiné à de la chaleur, des vibrations ou du piézoélectrique, avec détection tactile et synthèse vocale contextuelle.
    L’idée serait de compléter par la voix selon l’endroit où l’on touche ou lit l’afficheur.

• C’est un bel exemple de récit d’innovation capable d’empêcher les CTO des grandes entreprises de dormir.
  Si une personne extérieure très intelligente dispose de papier, d’un stylo, d’un ordinateur, d’une imprimante 3D et vit dans un endroit livré par AliExpress, elle peut, en quelques semaines entre théorie, expérimentation et manque de sommeil, produire une preuve de concept disruptive.
  J’espère que ce projet réussira vraiment, ou qu’il inspirera d’autres personnes à fabriquer des lecteurs braille bon marché.
  [0] : L’inspiration de ce projet a commencé il y a 48 jours : https://news.ycombinator.com/item?id=39159476

  • Pas n’importe qui : mon bon ami, et notre Jacques à tous.
    https://news.ycombinator.com/user?id=jacquesm

• J’aime le côté expo-sciences de cet article.
  Personnellement, avant d’opter pour une approche avec une roue motorisée assez grande, j’aurais sans doute exploré davantage d’options. Une idée qui me vient serait de réutiliser les machines à écrire électriques à boule des années 80-90 : la boule portait des caractères en relief et intégrait déjà un contrôle de position très précis.
  Une autre piste est celle des afficheurs microfluidiques. C’est une approche que les fabricants de téléphones expérimentaient au début des années 2010 pour le retour haptique des claviers à l’écran. En cherchant, je vois qu’une équipe de l’University of Michigan l’a utilisée exactement pour un afficheur braille il y a 8 ans [1], et qu’elle est maintenant en train de devenir une entreprise.
  L’entreprise qui travaillait il y a 10 ans sur des écrans tactiles « popup » était Tactus [2]. Côté électromécanique, il existe déjà un mouvement open source, avec des résultats assez intéressants [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

• Ne pourrait-on pas aussi faire de tout petits trous d’épingle et souffler de l’air à travers ?
  Si l’on ajuste la taille des trous et le flux d’air de façon à ce que le bout du doigt le sente clairement, on pourrait les piloter avec des valves beaucoup plus grandes et plus éloignées, ce qui éviterait d’avoir des pièces mécaniques aussi minuscules et précises.
  Au fond, il suffit de ressentir quelque chose ; il n’est pas nécessaire qu’un objet se trouve réellement à cet endroit. Pourrait-on envoyer une tension, une charge capacitive ou un signal à un point donné pour produire une impression de présence ?
  L’idée qu’« une surface lisse donne une impression bosselée » paraît intuitivement étrange, mais des choses encore plus bizarres se sont déjà révélées réelles.

  • Je me suis demandé si l’on ne pouvait pas faire quelque chose avec de la logique fluidique imprimée en 3D.
    Si c’était possible, l’ensemble de l’appareil pourrait ne comporter aucune pièce mobile solide et être fabriqué comme une seule grande pièce imprimée en 3D. Les seules exceptions seraient une grande membrane en caoutchouc qui relève les points grâce à la pression du fluide, une source de pression, et des valves reliées à l’électronique pour injecter les données à afficher.
    Ou bien on pourrait créer un grand registre à décalage en logique fluidique, avec un amplificateur pour chaque bit, afin de produire une sortie vers chaque point.
    La difficulté est que les dispositifs issus de l’âge d’or de la logique fluidique ne fonctionnent pas aux faibles nombres de Reynolds que l’on rencontre dans des appareils plus petits. Les techniques du nouveau domaine de la microfluidique pourraient peut-être le permettre, mais je ne sais pas si elles peuvent contrôler une pression suffisante pour être ressentie au doigt ou soulever une membrane en caoutchouc.
  • C’est possible, mais à la densité standard du braille, il faudrait toujours des valves bon marché d’une taille inférieure ou comparable à celle d’une cellule d’un point.
    À ma connaissance, cela n’existe pas comme produit commercial, et si cela existait, ce serait probablement beaucoup trop cher. Au final, il faudrait concevoir une nouvelle approche inconnue, adaptée à de faibles coûts de fabrication.
    La plupart des valves fonctionnent électromagnétiquement, c’est-à-dire avec des solénoïdes, ce qui pose aussi un problème de commande électrique. Dans l’ensemble, ce n’est pas une voie de solution très séduisante.
  • L’idée qu’« une surface lisse donne une impression bosselée » est intuitivement étrange, mais je me demande à quel point cela fonctionnerait si l’on faisait quelque chose de similaire à Force Touch, non pas avec un trackpad uniforme, mais en le divisant en une matrice de petits points.

• Une conception basée sur PCB semble mieux convenir à une conception pensée pour la production de masse
  Voir le travail de Carl Bugeja
  https://www.youtube.com/watch?v=oa6sP-joAr8
  Il existe des options comme les moteurs, les solénoïdes, les freins électromécaniques ou les mécanismes compliant

  • Mon prototype aussi a adopté cette approche grâce à Carl, et il fonctionne réellement
    Cela dit, ce domaine est un cas assez limite, et il est rare de voir des développements publics ; il reste donc à trouver l’équilibre entre les exigences électriques et de contrôle, les contraintes physiques, la densité électromagnétique, le choix des composants, le procédé de fabrication et le coût
  • À ce niveau-là, il vaudrait peut-être mieux revenir à une approche plus traditionnelle
    Chaque « point » serait placé sur un petit aimant et piloté par un PCB intégrant des bobines

• J’avais autrefois construit un prototype d’afficheur braille sur un concept similaire, mais avec des curseurs linéaires pour chaque colonne au lieu de roues rotatives
  Malheureusement, je me suis éparpillé sur d’autres aspects du projet et je n’ai jamais trouvé la meilleure façon d’y fixer les actionneurs
  J’étais fier du fait que ma conception pouvait être réalisée en découpant au laser une seule plaque, puis assemblée sans colle ni fixation. Bien sûr, cela excluait le mécanisme nécessaire pour actionner les curseurs
  Image : https://retr0.id/media/38116918-4023-437b-9a48-d2ffb1d02dbf/...
  Courte vidéo de démo : https://twitter.com/David3141593/status/1639261097252233220 La légende de la vidéo disait qu’il y avait beaucoup de friction, mais après ponçage, c’était tout à fait correct

• Une autre idée serait de ne pas utiliser de véritables points tactiles, mais d’appliquer une tension entre deux contacts de taille et de position appropriées, de façon à ce qu’elle soit perceptible au bout du doigt
  Il suffirait de rester en dessous d’un niveau désagréable, et de fabriquer le tout comme un PCB classique
  Il faudrait probablement multiplexer la tension entre les points, afin que le courant ne circule pas entre différents points, mais seulement dans la petite zone de chaque point à travers le doigt

  • Cela pourrait fonctionner et ce serait une solution extrêmement simple, mais j’aimerais vérifier s’il existe un risque de lésions nerveuses à long terme
    Les utilisateurs s’en serviraient presque tous les jours pendant plusieurs heures

• En lisant cet article, j’ai fortement l’impression que le type d’imprimante utilisé n’est pas adapté à la tâche
  Ce genre de pièce correspond naturellement à une imprimante résine. Les fentes d’alignement du #8 peuvent être produites de façon fiable avec une imprimante résine, et la qualité des points devrait aussi être meilleure
  De plus, la vitesse d’impression d’une imprimante résine dépend de la hauteur sur l’axe Z, pas du volume des pièces. On peut donc imprimer autant de roues que le plateau peut en contenir dans le même temps qu’une seule, et avec une imprimante résine cela devrait prendre environ 10 minutes
  La résine offre aussi un choix de propriétés matérielles bien plus large que l’impression filament, et pour cet usage la résine d’impression la plus résistante serait plus solide que n’importe quel filament, ce qui augmenterait aussi la durée de vie des pièces
  Une fois le procédé au point, on pourrait imprimer par couches, les détacher, puis les regrouper pour le durcissement UV. Si cela ne pose pas problème de surveiller la machine plus souvent, on peut aussi utiliser un support magnétique ; sur ce type de plaque, les pièces devraient simplement se décoller en sautant
  À cause du #8, on a l’impression qu’il y a tout un gros chantier lié aux problèmes de précision de l’imprimante pour les rayons d’alignement, mais une imprimante résine permettrait d’explorer cette conception plus en profondeur

• Une autre approche consisterait à fabriquer des boucles textiles dans lesquelles on pourrait faire apparaître les points braille en relief par la droite, puis tirer ces boucles vers la gauche
  Cela se lirait comme un panneau LED défilant, mais sous la forme d’une bande textile avec des points en relief
  La méthode mécaniquement la plus simple pourrait être de placer des fils de nitinol dans le sens vertical, c’est-à-dire parallèles à la trame. Pour afficher un caractère braille, il suffirait d’actionner deux fils de nitinol afin de créer les points en relief aux bons emplacements, puis de déplacer la bande textile vers la gauche
  Dans la section de retour cachée sous la zone d’affichage, les fils de nitinol pourraient être remis dans leur état initial
  Ou bien toute technique permettant de former des nœuds faciles à défaire dans le textile vaudrait la peine d’être essayée. Cela pourrait aussi être une méthode simple consistant à pousser une boucle à travers la bande textile pour former un point braille, puis à la retirer sur le trajet de retour

• Sauf si j’ai raté quelque chose, cet article semble supposer des cellules braille à 6 points
  Mais tous les afficheurs braille que j’ai manipulés jusqu’ici utilisaient des cellules à 8 points, et cette norme s’appelle le braille informatique