RPi Pico PicoChorder - klawiatura na jedną rękę

[ethanak]

Alternatywne klawiatury to rzadko poruszany temat - mimo różnego rodzaju układów, dzielenia na bloki klawiatura pozostaje typową pecetową klawiaturą różniącą się od standardowej w praktyce tylko ułożeniem klawiszy.

Tymczasem jedną z ciekawszych jest tzw. klawiatura akordowa. Ma ona mniej klawiszy niż normalna, mimo to poprzez użycie kombinacji klawiszy można na niej napisać to samo, co na standardowej. Jako ciekawostkę mogę podać, że najstarszym do dziś używanym z niewielkimi modyfikacjami urządzeniem wyposażonym w klawiaturę akordową jest wynaleziona w końcu XIX wieku mechaniczna brajlowska maszyna do pisania.

Zainteresowanych tematem odsyłam do obszernego artykułu w Wikipedii - niestety w wersji angielskojęzycznej, bo w polskiej wersji jest tylko krótka notka, nawet  bez podstawowych linków. Dodam tylko, że historycznie podejmowano różne próby stworzenia w różnych celach takiej klawiatury, jednak najpopularniejszy jest układ siedmiu klawiszy (przynajmniej jeden model - BAT keyboard - jest wciąż produkowany), tak więc postanowiłem zrobić swoją wersję właśnie na tym układzie.

Oczywiście - istnieją gotowe programy, zarówno dla klawiatury łączonej przez USB (różne rodzaje ATmeg/PIC-ów z software'owym USB czy Arduino Pro Micro) jak i BLE (Adafruit Feather). Po zapoznaniu się z tymi rozwiązaniami stwierdziłem, że chcąc wprowadzić te możliwości o których myślałem potrzeba byłoby zbyt wielu zmian w programach, tak więc zdecydowałem się na napisanie czegoś swojego. Jako "serce" urządzenia wybrałem RPi Pico (najważniejszy powód był taki, że leżał sobie w szufladzie). Myślałem jeszcze o jakimś Lolin 32 Lite (leżał sobie obok Pico w tej samej szufladzie) z uwagi na wbudowaną ładowarkę, ale po przemyśleniu postanowiłem pozostać przy USB i zasilaniu z hosta - mam niemiłe doświadczenia z akumulatorami rozładowującymi się nie wtedy kiedy trzeba...

Na początku przemyślałem sobie mechaniczną budowę. Ułożenie klawiszy w oglądanych modelach wydało mi się niezbyt fortunne. Ułożenie ręki na takiej klawiaturze jest zupełnie inne niż na tradycyjnej, tak więc położenie klawiszy musi być dopasowane do ręki użytkownika.

Po przeprowadzonych kilki próbach "na sucho" wyszło na to, że najlepszym rozwiązaniem będzie układ, gdzie dłoń opiera się o powierzchnię biurka, a klawisze umieszczone są tam, gdzie trafiają luźne palce. Po wykonaniu pomiarów okazało się, że układ który mi najbardziej pasuje jest zupełnie inny. Co prawda pozostaje podstawowy układ (trzy klawisze dla kciuka i po jednym dla pozostałych palców), ale rozmieszczenie klawiszy w obu blokach było nieco inne, a wzajemny układ obu bloków to już całkowicie inna sprawa).

Pierwsza wersja powstała na dwóch oddzielnych kawałkach płytki uniwersalnej przykręconych do kawałka płyty spienionego PCW, co pozwalało na dokładne wzajemne dopasowanie obu bloków. Do tego użyłem aż pięciu LED pokazujących stan klawiatury. Jako klawisze wybrałem Cherry ML1A-11NW - nie wiem czy dobrze, ale działają.

Natomiast założenia programowe były następujące:

• Podobnie jak w innych klawiaturach sygnał o wciśnięciu klawisza jest generowany po puszczeniu wszystkich klawiszy akordu, ale z możliwością pozostawienia wciśniętego jednego z klawiszy kciuka. Po pierwsze ułatwia to użycie klawiatury, gdy używamy jednego z bloków znakowe/numeryczne/kursor, a w przypadku klawiszy kursora ważne jest, aby klawiatura pamiętała wciśnięty Shift, Alt czy Ctrl.
• Programowo klawiatura podzielona jest na trzy bloki:

1. Podstawowy (literowy) (26 podstawowych liter, spacja, enter, dodatkowo makra dla "dż" i "dź" które wymagałyby wciśnięcia zbyt wielu klawiszy), klawisz CENTRAL zmienia po prostu bank, przy czym dla ułatwienia spółgłoski bezdźwięczne i odpowiadające im dźwięczne są na tym samym miejscu (np. "s" to dwa pierwsze klawisze, "z" to te same dwa pierwsze klawisze ale z wciśniętym CENTRAL).
2. Blok kursorów i klawiszy specjalnych (w tym funkcyjnych)
3. Blok znaków interpunkcyjnych przełączany na numeryczny, przy czym w trybie numerycznym musi być dodatkowy dostęp do kropki (zapis ułamków dziesiętnych), dwukropka (zapis godzin) i klawisza TAB.

Po wstępnych próbach znów okazało się, że zwykłe klawisze nie nadają się do tej klawiatury. O ile dla palców klawisze powinny zapewniać po prostu pewne ułożenie palca uniemożliwiające przesunięcie (w tym przypadku typowy kształt jako-tako się sprawdza)), o tyle klawisze kciuka są wciskane bokiem palca i tradycyjny kształt jest po prostu niewygodny. Dlatego zaprojektowałem zupełnie inny kształt klawisza - plik STL w załączeniu.kciuk.zip

Układ połączeń klawiatury jest bardzo prosty, całość składa się z:

• RPi Pico (bez wlutowanych pinów)
• Siedmiu klawiszy podłączonych bezpośrednio do GPIO
• Pięciu diod połączonych przez rezystory 1.2k (takie miałem) do GPIO.

Dla porządku zamieszczam schemat

I tu jedna uwaga: ponieważ wszystkie diody sterowane są sygnałem PWM, w programie przewidziałem możliwość korekty jasności każdej z nich, tak więc można wybrać dowolne rezystory (w pierwszej wersji było to 1.5k, dioda nie ma oświetlać pomieszczenia tylko sygnalizować stan urządzenia).

Wygląd gotowego urządzenia pokazałem już wyżej, teraz tylko dwa zdjęcia z procesu składania:

I od razu kilka słów wyjaśnienia:

Użyłem płytek z wersji próbnej z bardzo prozaicznego powodu: musiałem kupić Pico (i kilka innych drobiazgów) a nie znalazłem sklepu który sprzedawałby wszystko co trzeba. Zamawianie płytki za 5 PLN plus płacenia za paczkomat uznałem za zły pomysł. Również wytrawianie własnej płytki (nawet nie bardzo mam w czym wytrawić) uznałem za niewygodne rozwiązanie - zrobienie kilku połączeń kynarem było dużo szybsze, szczególnie że miałem już coś działającego.

"Krzywa" płytka z diodami i brak jednej śrubki to nie wynik niedbalstwa; po prostu w tym miejscu przechodzi jedna ze śrub mocujących górną część obudowy.

Widoczna "dziura" przed klawiszami kciuka to też nie wynik braku materiału. Po prostu obudowa musiałaby być obniżona w tym miejscu z uwagi na położenie palca, a po pierwsze trudno określić konieczne obniżenie bez prób, po drugie takie coś fatalnie się drukuje. Poza tym wieczko po zamknięciu i tak zakrywa to miejsce... a w ogóle to nie jest do oglądania i podziwiania tylko do pisania.

Poza tym jak już wspominałem, cała klawiatura musi być dostosowana do ręki użytkownika, tak więc publikowanie jakichś STL-i czy projektów PCB na nic by się nie przydało. A prawidłowe ułożenie palców powinno wyglądać tak:

(przepraszam za fatalne ujęcie, ale nie bardzo miałem jak zrobić fotkę bez statywu).

I kilka słów o technice pisania.

Pełna mapa klawiatury jest w pliku sciaga.txt w załączniku. Użyte nazwy klawiszy to kolejno (od najdalszego kciuka): FAR CENTRAL NEAR A E I O. Muszę jednak jeszcze wspomnieć o kilku drobiazgach.

Przyciski kciuka jeśli wciskane są samodzielnie (bez klawiszy palców) działają jak modyfikatory, Rozróżniane są krótkie i długie wciśnięcia - np. krótkie wciśnięcie CENTER to shift, dłuższe to capslock. Stan danego modyfikatora sygnalizują odpowiednie diody. Jeśli po puszczeniu klawisza w ciągu 5 sekund nie nastąpi żadna reakcja użytkownika, modyfikator jest kasowany. Kasowany jest również po odebraniu następnego znaku, z następującymi wyjątkamu:

- klawisze ruchu kursora zapamiętują stan Alt, Shift i Ctrl dopóki nie zostanie puszczony przycisk NEAR alo nie zostanie wprowadzony znak inny niż ruch kursora. Zapamiętanie stanu odbywa się w samej klawiaturze, czyli np. wciśnięcie kolejno "Shift, Right, Right" spowoduje wysłanie do hosta sekwencji:

SHIFT Pressed
RIGHT Pressed
ALL Released
SHIFT Pressed
RIGHT Pressed
ALL Released

- Klawisze makr "Alt-Tab" i "Shift-Alt-Tab" zapamiętują modyfikator Alt w nieco inny sposób: ponieważ w trakcie zmiany okien klawiszami TAB i SHIFT/TAB klawisz Alt musi pozostawać wciśnięty, sekwencja np. "Alt-Tab Alt-Tab" jest przesyłana jako:

ALT presssed
TAB pressed
TAB released
TAB pressed
TAB released
ALT released

Jest to co prawda techniczny szczegół, ale warto o nim pamiętać.

Klawisz Super jest rzadko wykorzystywany, więc normalnie jest zablokowany aby nie mylił się z Ctrl. W każdej chwili można go odblokować odpowiednią kombinacją klawiszy (NEAR-AEIO NEAR-AIO).

W trybie klawiatury - jak już wspominałem - znak interpretowany jest dopiero po puszczeniu wszystkich klawiszy AEIO. Umożliwia to spokojne wciskanie klawiszy akordu po kolei. W trybie myszy jest jednak inaczej.
Teoretycznie klawisze powinny reagować od razu powodując przesłanie informacji o ruchu do hosta. Istnieją jednak kombinacje klawiszy nie związane z ruchem myszy (np. obrót kółka czy wciśnięcie/puszczenie modyfikatora). Dlatego pierwszy komunikat po wciśnięciu jest lekko opóźniony, dając czas na wciśnięcie dwóch lub trzech klawiszy. Czas (50 msec) jest na tyle krótki, aby nie utrudniał poruszania myszą, a jednocześnie umożliwiał operowanie takimi kombinacjami, należy jednak liczyć się z tym, że może wystąpić przesunięcie wskaźnika o piksel.

Klawiatura jest przystosowana do obsługi prawą ręką, ale nic nie stoi na przeszkodzie aby zrobić lustrzaną wersję dla lewej ręki. Należy jedynie odkomentować w pliku keyboard.c linijkę:

#define LEFTHAND

co spowoduje właściwe ułożenie klawiszy kursora, nawiasów oraz myszy.

I jeszcze o możliwych modyfikacjach.

Klawiatura w tej postaci nie nadaje się dla niewidomych - niektóre kombinacje klawiszy (np. Insert-Space) są nieosiągalne. Na chwilę obecną widzę trzy rozwiązania:
- dodanie dodatkowego klawisza (może być niewygodne)
- zmiana programu w ten sposób, że akord "Insert" reaguje z opóźnieniem, a wciśnięcie jakiegoś akordu przed upłynięciem czasu opóźnienia powpoduje wysłanie np. sekwencji: INSERT Pressed, COŚTAM Pressed, ALL Released.
- rezygnacja z makr "dż" i "dź" i wprowadzenie w to miejsce dodatkowych poleceń dla screenreadera.
Tak zmodyfikowana klawiatura może być użyteczna przy jednoczesnym pisaniu i posługiwaniu się linijką brajlowską. Ponieważ klawiatura może być dołączona równolegle z normalną nic nie szkodzi aby używać obu zamiennie. Moim zdaniem taką klawiaturę należałoby wyposażyć również w jakiś sygnał akustyczny zastępujący wskaźnik diodowy, ale to już zależałoby od samego zainteresowanego.

Ponieważ klawiatura nie wymaga trzymania ręki nad nią - może być użyta przez osoby o ograniczonej zdolności ruchu. Jeśli np. palce są sprawne, a niedowład dotyczy wyłącznie możliwości uniesienia ręki w takim przypadku nie trzeba żadnych zmian. Można również rozdzielić klawiaturę tak, aby palce jednej ręki obsługiwały modyfikatory, a drugiej klawisze palców. Oczywiście taka klawiatura może być również bez żadnych zmian użyta przez osoby posługujące się tylko jedną ręką.

I to by było na tyle. Zamieszczam jeszcze pełną mapę klawiatury (w bloku "Pozostałe" trzecią i czwartą pozycję makr uzyskuje się poprzez włączenia AltGr):

aeio  |     CENTRAL |
------+-------------+
x---  | A     U     |
-x--  | E     Y     |
xx--  | S     Z     |
--x-  | I     J     |
x-x-  | C     X     |
-xx-  | N     M     |
xxx-  | P     B     |
---x  | O     H     |
x--x  | F     W     |
-x-x  | L     R     |
xx-x  | K     G     |
--xx  | T     D     |
x-xx  | V     Q     |
-xxx  | Dż    Dź    |
xxxx  | Space Enter |
------+-------------+

=== MODYFIKATORY ===

Klawisz | Short | Long
--------+-------+----------
FAR     | AltGr | Alt
CENTRAL | Shift | CapsLock
NEAR    | Ctrl  | Super
--------+-------+----------

=== POZOSTAŁE KLAWISZE ===

aeio  | FAR       |        FAR/NUM   |   NEAR             Fn   |
------+-----------+-------+----------+-------+-----------------+
x---  |   . >     | x---  |  1 !     | x---  |  left      F1   | 
-x--  |   , <     | -x--  |  2 @     | -x--  |  up        F2   | 
xx--  |   [ {     | xx--  |  3 #     | xx--  |  pgup      F3   | 
--x-  |   ; :     | --x-  |  4 $     | --x-  |  right     F4   | 
x-x-  |   ( % ^ \ | x-x-  |  5 %     | x-x-  |  a-tab     F5   | 
-xx-  |   / ?     | -xx-  |  6 ^     | -xx-  |  bs/del    F6   | 
xxx-  |   @ & | § | xxx-  |  7 &     | xxx-  |  home      F7   | 
---x  |   ' "     | ---x  |  8 *     | ---x  |  down      F8   | 
x--x  |   ! $ # € | x--x  |  9 (     | x--x  |  esc       F9   | 
-x-x  |   ) * = + | -x-x  |  0 )     | -x-x  |  s-a-tab   F10  |  
xx-x  |   - _     | xx-x  |  - _     | xx-x  |  insert    F11  | 
--xx  |   ] }     | --xx  |  = +     | --xx  |  pgdown    F12  | 
x-xx  |   ` ~     | x-xx  |  \ |     | x-xx  |  menu/prt  Super| 
-xxx  |   tab     | -xxx  |  tab . : | -xxx  |  end       Mouse| 
xxxx  |   NUM     | xxxx  |  NUM     | xxxx  |  Fn        FnOff|
——————+———————————+———————+——————————+———————+—————————————————+

==== MYSZ ====

aeio  |
------+------------
x---  | Left       
-x--  | Up
xx--  | LeftUp
--x-  | Right
x-x-  | ScrollUp
-xx-  | RightUp
xxx-  | Keyboard: Show Cursor
---x  | Down
x--x  | LeftDown
-x-x  | ScrollDown
xx-x  | Keyboard: Alt Key
--xx  | RightDown
x-xx  | Keyboard: Ctrl Key
-xxx  | Keyboard: Shift Key
xxxx  | Mouse Off
——————+------------

=== MOUSE BUTTON EMULATION ==

FAR = LMB
CENTRAL = MMB
NEAR = RMB

=== LED ===

Keyboard mode:

No | Light    |  Blink | Dark
---+----------+--------+-----------
1  | CapsLock |  Power |
2  | Numeric  |        |
3  | AltGr    | Alt    |Keep alt 
4  | Ctrl     | Super  |Keep ctrl 
5  | Shift    | Fn     |Keep shift
---+----------+--------+-----------

Mouse mode:

1/2 Blink - mouse mode active
3 - Alt pressed
4 - Ctrl pressed
5 - Shift pressed

Do tego w załączniku pełny kod programu.PicoChorder.tgz

Oczywiście odpowiadam na wszystkie pytania i sugestie (nawet pozornie głupie - w końcu nie jestem wszechwiedzący i coś co pozornie może nie mieć sensu może okazać się ciekawym rozwiązaniem).

 

Edytowano Listopad 9, 2022 przez ethanak

[ethanak]

Drobna poprawka w kodzie - trochę ładniej się przedstawia jako urządzenie USB, dodany unique_id: PicoChorder.tgz

[pmochocki]

Taki fajny projekt i nikt nie komentuje...

Ja osobiście miałbym obawę jak długo zajęłaby mi nauka pisania na takiej klawiaturze. Wersja po bluetooth byłaby ciekawym rozwinięciem projektu. Wydaje mi się, że przy odrobinie wprawy, można by tego używać zamiast klawiatury na smartphone. Czasami potrafię na telefonie wystukać dwie strony A4, sprawne używanie takiej klawiatury byłoby pomocne.

Obejrzałem kod i byłem zaskoczony jak łatwo udało się zrobić klawiaturę USB. Wiem, że dla niektórych obytych z Pico to oczywiste, ale RP2040 używa w swoim SDK biblioteki tinyusb.

@ethanak jak tworzyłeś mapę klawiatury to miałeś jakieś założenia typu samogłoski pod jednym palcem?

Dnia 11.12.2021 o 10:03, ethanak napisał:

dodatkowo makra dla "dż" i "dź" które wymagałyby wciśnięcia zbyt wielu klawiszy

interesting... A dlaczego nie makra ż i ź, byłby częściej używane oraz dż i dź też nie wymagałoby wciskania tak wielkiej ilości klawiszy?

[Gieneq]

11 godzin temu, pmochocki napisał:

Taki fajny projekt i nikt nie komentuje...

Właśnie widzę, że fajny ale nie mam kiedy wgryźć się w temat 😞 ostatnio dość długo siedzę przy FFT i nie ma czasu. Przeczytałem, chciałem tylko przejrzeć i wsiąkłem w temat.

Dnia 11.12.2021 o 10:03, ethanak napisał:

Jeśli po puszczeniu klawisza w ciągu 5 sekund nie nastąpi żadna reakcja użytkownika, modyfikator jest kasowany.

5 sekund to bardzo długo, czy można to traktować jako wyznacznik ogólnej szybkości pisania? Jak szybko można na tym pisać?

Edytowano Grudzień 15, 2021 przez Gieneq

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[ethanak]

13 godzin temu, pmochocki napisał:

Ja osobiście miałbym obawę jak długo zajęłaby mi nauka pisania na takiej klawiaturze.

Na pewno krócej niż nauka Morse'a albo Braille'a 🙂

13 godzin temu, pmochocki napisał:

jak tworzyłeś mapę klawiatury to miałeś jakieś założenia typu samogłoski pod jednym palcem?

Założeń było kilka.

• Tak, jeden palec na samogłoskę to jedno z założeń. Dodatkowo kolejność samogłosek taka jak w alfabecie.
• Pary bezdźwięczna/dźwięczna na tej samej kombinacji klawiszy różniące się tylko wciśnięciem CENTRAL
• Cyfry i klawisze funkcyjne osiągane jako wciśnięcie odpowiedniej kombinacji odpowiadającej binarnemu zapisowi (zakładając że A to 1)
• W przypadku kilku popularnych znaków (wykrzyknik, nawiasy) które normalnie osiągane są poprzez naciśnięcie klawisza z cyfrą (tu konieczne przełączenie klawiatury w tryb NUM) osiągalne bez przełączania trybu
• W przypadku symetrycznych par znaków (np. PgUp/PgDn, Home/End, nawiasy) kombinacje muszą być symetryczne (np. Home to trzy lewe klawisza,End to dwa trzy prawe itd.)

Ogólnie - najbardziej zależało mi na jak najmniejszej ilości kombinacji do zapamiętania, jednocześnie unikając jakichś długich sekwencji do osiągnięcia jednego znaku.

Jest oczywiście kilka wyjątków (np. 'x' który nie ma pary, ale jest na tej samej kombinacji co również "bezparowe" 'c', a używany do wprowadzenia znaku 'ź', czy para v/q).

I tu właśnie problem który poruszyłeś:

13 godzin temu, pmochocki napisał:

dlaczego nie makra ż i ź, byłby częściej używane oraz dż i dź też nie wymagałoby wciskania tak wielkiej ilości klawiszy?

Tu wchodzi w grę specyfika zarówno klawiatury (gdzie modyfikator musi być wciśnięty i puszczony przed literą), jak i języka polskiego (dwuliterowy zapis niektórych głosek). Z wyjątkiem właśnie dż i dź uzyskanie głoski to sekwencja o długości nie większej niż 2 - czyli np. FAR, Z dla ż czy S, Z dla sz. Jedynie głoski dż i dź wymagają użycia dłuższej sekwencji (np. D, FAR, Z dla dż) - stąd pomysł makr dla tych głosek. Zresztą - jako że wszelkie modyfikatory poza Shift są w przypadku tych makr usuwane - można by ich użyć jako sekwencje dla screenreadera (np. FAR, Dż to odpowiednik wciśnięcia klawisza NVDA/Orca przy następnym znaku - to taki pomysł z wczoraj wieczorem).

Pewnie dla innych języków makra byłyby inne (np. 'sch' dla niemieckiego).

13 godzin temu, pmochocki napisał:

Wydaje mi się, że przy odrobinie wprawy, można by tego używać zamiast klawiatury na smartphone

Większość obecnie używanych smarkofonów ma USB OTG, czyli nie ma problemu z podłączeniem klawiatury kablem. Przy okazji odpada akumulator, który ma tę niemiłą cechę, że trzeba go czasem ładować.

A posiadanie klawiatury, która po pierwsze nie zasłania pół ekranu, po drugie posiada klawisze kursorów jest warte nauki pisania na czymś takim - możesz mi uwierzyć na słowo 🙂

 

2 godziny temu, Gieneq napisał:

5 sekund to bardzo długo, czy można to traktować jako wyznacznik ogólnej szybkości pisania?

To nie ma nic wspólnego z szybkością. Po prostu w sytuacji, kiedy wciskam modyfikator i z jakiegoś powodu przerywam pisanie - klawiatura wraca po 5 sekundach do stanu spoczynkowego. Tak na wszelki wypadek.

2 godziny temu, Gieneq napisał:

Jak szybko można na tym pisać?

No - to już zależy od predyspozycji. Przy tych klawiszach (Cherry ML) mam wrażenie, że 200 CPM to górna granica dla starego klawiszowca, jakieś 120 CPM dla przeciętnego użytkownika. O ile Cherry nadają się idealnie do klawiszy kciuka, o tyle przy klawiszach palców skok klawisza jest za długi, co jest szczególnie niewygodne przy akordach AIO czy AEO. Podejrzewam, że w tym przypadku mogłyby się sprawdzić niektóre typy tact-switchy czy nawet zwykłe krańcówki (w końcu w myszkach się sprawdzają) - wymagałoby to jednak przeprowadzania prób z różnymi typami klawiszy, a ja potrzebuję działającego urządzenia a nie laboratorium 🙂

Z drugiej strony jednak zastosowane przeze mnie klawisze mają żywotność o wiele większą (w końcu są przeznaczone do klawiatur)...

 

[slon]

Fajny projekt , może któregoś dnia spróbuje takie coś zrobić.

[ethanak]

To od razu pomyśl o innych klawiszach - niestety przełączniki od normalnych klawiatur nie zdają tu egzaminu (poza kciukiem). Ja powoli szukam innego rozwiązania.