Vývoj zariadenia

Trochu z histórie

S myšlienkou vytvoriť zariadenie, ktoré by pomohlo nevidiacim naučiť sa Braillove písmo, prípadne zdokonalovať sa v jeho používaní, prišiel už dávnejšie Karol Trnka. V dobe, keď na všeličo možné existuje nejaká „skrinka“, by bola dobrá aj skrinka na výučbu šesťbodového písma, ktoré používajú nevidiaci na čítanie.

Nápad na takéto zariadenie skrsol pri pohľade na detskú hračku, akýsi detský laptop, ktorá učí deti písmená abecedy tak, že po stlačení klávesy s príslušným písmenom sa dané písmeno ozve aj vo zvukovej podobe. Pri skúšaní naopak po vyslovení písmena čaká na stlačenie správneho tlačidla s písmenom.

V rámci našej neziskovej organizácie a za pomoci amatérskych nadšencov vznikli aj nejaké prototypy takejto „hračky“, ktoré viacmenej robili iba základnú funkciu a boli iba akousi hovoriacou skrinkou, s ktorou by bolo pomerne problematické naučiť sa Braillove písmo.

Preto sme sa v rámci našej organizácie rozhodli, že aby sme nápad priviedli do reálnej a použiteľnej podoby, musíme sa spojiť s odborníkmi, ktorý nám pomôžu s metodikou vyučovania za pomoci takéhoto zariadenia a pomôžu nám aj naučiť toto zariadenie, aby robilo to, čo má robiť. Na realizáciu sme potom využili Operačný program pre ľudské zdroje a podali projekt na realizáciu takéhoto zariadenia, ktoré sme nazvali Trnka.

November 2018

Oficiálny začiatok projektu Trnka – zariadenia na výučbu reliéfno – bodového písma (Braillovho písma) pre ťažko zrakovo postihnutých.

Na začiatku projektu prebehla sumarizácia požiadaviek, ktoré má zariadenie spĺňať ako po stránke hardvérovej, tak aj softvérovej. Základný rámec funkčných vlastností bol už stanovený v čase vytvárania projektu. Teraz bolo potrebné jednotlivé funkcie zariadenia rozobrať do najmenších podrobností, aby bolo možné špecifikovať požiadavky ako na technickú/hardvérovu časť zariadenia, tak aj na softvérovú časť.

Pri návrhu hardvérovej špecifikácie bolo potrebné rozhodnúť sa, čo bude srdcom zariadenia, teda akú riadiacu jednotku zvoliť. Možnosti boli v podstate dve, prihliadajúc na to aby zariadenie nebolo až príliš sofistikované a aj na prípadnú cenu celkového zariadenia. Buď použiť kontroleri, ako napríklad Arduino a jemu podobné riadiace jednotky, alebo použiť mikropočítače, ako napríklad Raspberry. Vzhľadom na požiadavky, ktoré sme si stanovili na zariadenie, sme napokon vybrali Raspberry, konkrétne model Zero, ktoré umožňuje bezproblémové programovanie, keďže funguje na báze Linuxu(programovací jazyk Python, možnosť využitia databáz,…), ponúka konektivitu prostredníctvom WIFI a je vhodné aj na prípadné ďalšie rozširovanie vlastností zariadenia.

December 2018

Čas na tvorbu technickej dokumentácie k hardvérovej časti zariadenia. Rozdelenie zariadenia na jednotlivé komponenty a vytváranie technických výkresov k nim. Predovšetkým klávesnice, ktorá bude tvoriť podstatnú časť zariadenia. Znamená to navrhnúť rozmiestnenie jednotlivých tlačidiel tak, aby boli dobre hmatateľné, aby plocha tlačidla bola dostatočná na hmatové čítanie Braillovho písma a nedochádzalo k náhodným dotykom so susediacimi písmenami. Rovnako bolo treba navrhnúť počet tlačidiel a teda počet písmen a znakov, ktoré budú na základe metodických pokynov tvoriť klávesnicu. V závere návrhu vyšiel výsledný rozmer zariadenia na veľkosť A4 a hrúbky približne 2 cm.

Počas návrhu sa napokon dospelo k tomu, že zariadenie bude v podstate pozostávať z dvoch častí. Z dosky plošných spojov, ktorá bude obsahovať klávesnicu, obvody pre napájanie, obvody pre zvuk a na ktorú sa pomocou konektora pripojí riadiaca jednotka Raspberry (aby v prípade jej poruchy sa jednoducho dala vymeniť) a druhú časť bude tvoriť samotný obal zariadenia.

Súbežne s tvorbou technických výkresov sa vytváral zoznam technických požiadaviek, ktorý sa použije pri hľadaní vhodného dodávateľa dosky plošných spojov s klávesnicou a príslušnými obvodmi.

Január 2019

Po vypracovaní technickej špecifikácie základnej dosky nastal čas na nájdenie jej dodávateľa. Bolo oslovených 11 elektrotechnických firiem, ktoré mali v ponuke svojich činností aj návrh a realizáciu elektronických zariadení.

Po mejlovej a telefonickej komunikácii s oslovenými firmami napokon cenové ponuky na návrh a výrobu elektronického zariadenia zaslalo 5 firiem. Z nich sme na základe najvýhodnejšej cenovej ponuky, ale aj doby, za ktorú sú schopní dodať 15 kusov požadovaného zariadenia vybrali firmu Elekon.

Február – marec 2019

Vybranej firme bola zaslaná objednávka na vývoj a realizáciu 15 kusov plošného spoja s klávesnicou, ktorá sa pripojí k Raspberry a bude tak tvoriť trnku.

Technická špecifikácia sa ešte upresnila a doplnila o požiadavky, ktoré medzičasom vyplynuli z metodickej prípravy a vzájomných konzultácií medzi členmi projektu.

Apríl – máj 2019

Po dohode s dodávateľskou firmou boli najprv vyrobené dve plne funkčné prototypové dosky, na ktorých sa overí základná funkcionalita a doladia sa prípadné nedostatky.

1,Základná doska zariadenia

Po niekoľkotýždňovom čakaní máme v rukách prvé dva prototypy plošného spoja do nášho zariadenia na výučbu Braillovho písma, do našej Trnky.

Prvé testy ukázali bezproblémovú funkčnosť jednotlivých kláves. Rovnako sa potvrdilo, že zvolené riešenie realizácie klávesnicovej časti výhodné z hľadiska programovanie Raspberry. Klávesnica je totiž implementovaná priamo do operačného systému Raspberry a tak sa programátori nemusia zaoberať ešte aj samostatnému programovaniu klávesnice.

Testy na prototypových doskách však ukázali problém so zvukovou časťou. Zvolený spôsob zvukového výstupu z Raspberry prostredníctvom I2C zbernice sa ukázal ako nevhodný. Do zvuku sa totiž prenášalo digitálne rušenie spôsobované činnosťou procesora alebo wifi komunikáciou.

Z tohto dôvodu bola navrhnutá zmena v elektronickom zapojení. Na potlačenie rušenia sa použilo samostatné napájanie časti s Raspberry a časti so zvukovými obvodmi. Tým pádom došlo aj k navýšeniu napájacieho napätia pre zariadenie na 12 V oproti pôvodným 9 V.

Vzhľadom k tomu, že úprava elektronického zapojenia sa týkala iba zvukovej časti a doska s klávesnicou bola inak plne funkčná, obe prototypové dosky už mohli poslúžiť na vývoj softvéru pre našu Trnku. Naučiť Trnku pracovať, respektíve učiť, preto začali naši softvéroví inžinieri.

Máj 2019

2, Vývoj obalu

Medzitým sme začali vyvíjať obal, v ktorom bude plošný spoj umiestnený. Po dlhých debatách a rôznych prieskumoch z čoho by mal obal byť, aká by bola náročnosť jeho výroby a zohľadnení ďalších aspektov, sme sa rozhodli realizovať obal pomocou 3D tlače. Pozdávala sa nám možnosť meniť parametre obalu, jeho prispôsobovanie požiadavkám, ktoré máme vyšpecifikované už teraz, ale aj požiadavkám, ktoré sa môžu objaviť v ďalšom priebehu projektu. Takáto flexibilita pri iných možnostiach výroby obalu nie je.

3, Model obalu

Ako prvé bolo treba vytvoriť 3D model obalu, ďalej navrhnúť ako bude plošný spoj upevnený v obale, ako bude zmontovaný aby bol pevný a vydržal aj náročnejšie používanie. Jedným z problémov, ktoré bolo treba vyriešiť, bolo ako sa budú stláčať tlačidlá na plošnom spoji. Vytvorili sme jednoduchý spôsob ako to urobiť, vďaka čomu sa vlastne stali tlačidlá súčasťou obalu.

4, Prototypy obalu

3D tlač má výhodu aj v tom, že je možné si otestovať jednotlivé prvky samostatne, bez nutnosti vyrábať celý obal. Po niekoľkých testoch sme napokon vytlačili dva prvotné prototypy obalu pre obe dosky plošných spojov, ktoré máme k dispozícii.

Jún 2019

Od dodávateľskej firmy sme obdržali dosky s klávesnicou po úprave zapojenia, ktoré si vyžiadalo rušenie vo zvukovej časti. Po zavedení operačného systému a spustení základného programu na otestovanie funkčnosti sme zistili, že rušenie vo zvuku pri počúvaní cez reproduktor je takmer nepočuteľné. O niečo horšie to už bolo pri posluchu cez slúchadlá.

Vzhľadom k tomu, že zvuk by mal byť v oboch prípadoch čistý, prebehli následné konzultácie s dodávateľom, ako by sa dal daný problém vyriešiť. Návrh bol zmeniť spôsob vyvedenia zvuku s Raspbery nie prostredníctvo I2C zbernice, ale použiť zbernicu I2S. Čo si vyžiadalo dodatočný čas na vývoj zodpovedajúcich elektronických obvodov, ktoré by sa dali použiť už na jestvujúcom riešení dosky plošných spojov.

Júl – august 2019

Úprava obvodov na I2S zbernicu stále prebieha. Čas vývoja a následnej realizácie sa predlžuje aj kvôli nutnosti doobjednania integrovaného obvodu, ktorý spracúva I2S komunikáciu na zvukový výstup.

Vývoj softvéru pre zariadenie Trnka však aj napriek zdržaniu dodávky dosky plošných spojov s klávesniciu pokračuje na už dodaných prvých prototypoch, keďže softvérová časť zariadenia nemusí riešiť spôsob, akým sa dostane zvuk s Raspberry do reproduktora, či slúchadiel.

September 2019

Úprava elektronického zapojenia bola úspešne vykonaná a 15 kusov dosiek plošných spojov pre zariadenie Trnka bolo vyzdvihnutých priamo v dodávateľskej firme.

Následné boli vykonané základné testy na každej doske, či fungujú všetky tlačidlá a je funkčný aj zvukový výstup. Zvuk je už čistý ako cez reproduktor, tak aj cez slúchadlá.

September – december 2019

Základné dosky sú funkčné a treba ich ešte dať do obalu. Typ obalu sme už vybrali skôr a boli už aj vyrobené skúšobné vzorky.

Keďže sa zmenilo elektronické zapojenie na doske plošných spojov a zmene rozmiestnenia niektorých konektorov, bolo treba urobiť úpravy v už navrhnutom modeli obalu.

Ďalšie skúšanie vzoriek obalu, jeho pevnosti, funkčnosti zvoleného spôsobu tlačidiel, viedlo k jeho ďalším úpravám, aby sa obal pri používaní neprehýbal a stláčanie bolo bez problémové.

Samostatný problém bol pri realizácii Braillových znakov na klávesnici. Vzhľadom na to, že na výrobu obalov sme zvolili 3D tlač, pri realizácii vrchnej časti obalu s tlačidlami sme narazali na obmedzenie 3D tlače pri realizácii bodov Braillových znakov. Body nemali dostatočnú kvalitu, boli drsné na dotyk, nedosahovali požadované parametre. Pokusy so zmenami parametrov pri 3D tlači neviedli k požadovaným výsledkom. Bolo teda treba vymyslieť iný spôsob, ako vytlačiť tlačidlá s Braillovými znakmi.

Po niekoľkých pokusoch a omyloch sa napokon podarilo nájsť spôsob, ako vytlačiť Braillove znaky v požadovanie kvalite. Keďže tento spôsob je úplne iný ako sme zvolili na začiatku, vyžiadalo si to aj výrazné zmeny v 3D modely obalu pre zariadenie. Tlač obalu bude síce komplikovanejšia, ale dúfame, že výsledný obal bude plne funkčný a nestratí jednoduchosť, akú mal prvotne navrhnutý obal.