Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

3D为视障人士打印自己的触觉测量工具

圣路易斯华盛顿大学化学系的D'Arcy实验室与密苏里州盲人学校合作,为视障学生创建了令人兴奋的教学工具。特别关注测量和空间定位 - 最终设计包括盲文测量板和盲文卡尺(可下载)。我们通过创建更复杂的对象来帮助学生理解对称的基本原理,这是一个对化学,数学,美术等至关重要的概念,从而进一步扩展了我们项目的范围。

本科有机化学课程的学生经常撞墙,分子的二维表示不会转化为预期的三维物体。概念化三维空间的困难是许多人感到沮丧的原因,因为不是通过死记硬背可以传授的知识。大学级有机化学课程通常推荐使用“建模工具包”来帮助学生与可视化概念建立触觉联系。这些试剂盒通常仅限于表示具有例外的系统的能力,错误地传授与化学相关的几何学的“刚性”概念,同时学生学习有利的几何扭曲和过渡状态。作为一个主要由教育的化学家组成的小组,我们最初致力于设计用于3D打印的“特殊”分子,这将有助于理解几何扭曲。我们通过用触觉凸起和指示器标记​​分子来进一步推动这一概念,允许人们仅通过触摸来跟踪空间中分子的操纵。

仅基于触觉传递信息并不是一个新想法。也许最成功和最容易识别的触觉书写系统的实现被称为盲文,由法国作家路易斯布莱尔于1824年15岁开发。我们开始尝试将盲文应用到我们的设计中;事实证明,熔融沉积建模印刷的过程允许在非平面上容易地形成凸起的凸起,非常适合盲文。我们的第一个设计是简单的,以分子几何为中心(如下图所示的3D打印),尝试熟悉3D模型的设计和打印。

盲文嵌入二氧化碳的分子表示,附近有氨,铵,四面体和八面体。由Zac Christensen,Emma Mehlmann和Daniel Cotton设计和印刷的结构。

我们尝试用盲文写“二氧化碳”来嵌入线性二氧化碳的印刷品 - 它相当笨拙地读作“资本c大三或三”。重要的是要注意今天使用的盲文不是直接的音译。虽然盲文可用于表达拉丁字母的所有26个字母,从而通过简单的字体更改导致任何语言中任何文本的音译,但多年来它已针对各种语言进行了优化。统一英语盲文由大量的收缩,指示符和符号存档组成,用于最大限度地提高用盲文书写的文本的易读性。模型的背面正确地描述了“线性”,指的是二氧化碳的分子几何结构,但最终我们知道未来设计中的嵌入信息必须清晰简洁地传递,而不会造成过多的混淆。如果没有盲文识字的教育工作者和附近的密苏里盲人学校的学生的帮助,这个目标是不可能实现的,这为我们提供了宝贵的反馈和建议。密苏里州盲人学校被认为是美国第一家于1860年正式采用盲文的机构.MSB的师生与我们合作并对我们的设计提供诚实和彻底的反馈的耐心和意愿促使我们这里描述的工作。

在向MSB的几位老师展示我们的模型并讨论教学法时,数学老师提到了她的学生用统治者进行测量的困难。学生们将获得嵌入盲文的统治者,由美国盲人印刷厂(APH)发行。事实证明,测量的主要困难不是来自尺子本身,而是测量三个独立尺寸(即长度,宽度和高度)所需的空间方向。学生在进行测量时经常将手中的物体旋转,很快就会失去先前测量过哪一侧的轨迹,从而导致混乱。这是完全可以理解的 - 在空间中旋转物体时没有固定的轴系统,因此“高度,宽度和长度”的区别完全是任意的。这使得教师特别难以确保她的整个班级使用同一组轴。我们开始创建一些对象,这些对象允许学生即使在轮换之后也可以区分某些方面。这些长方体具有嵌入的纹理,可以固定分配边和方向:

我们的初始设计包括向上指向的三角形,以指定通常指定为“长度”的一侧和对象的顶部。 “宽度”侧嵌有平行的垂直脊。另一种设计包括用于物体顶部的“十字”形指示器,以及用于长方体和立方体的两组面上的垂直线。还示出了中继固定笛卡尔坐标轴的想法的尝试,其中原点(0,0,0)由三个唯一的凸起边缘标识符的交点定义,一个正方形,一个圆形和一个分离的球体。该模型可以在空间中自由旋转,同时保留其原始轴组。

在向MSB的学生介绍这些物品后,我们很高兴看到他们对3D打印的实际过程如此着迷。他们的触感非常精致,以至于他们注意到PLA灯丝各个层之间的脊部,然后才注意到两侧之间的任何较大的纹理差异。我们意识到所需的解释水平很快就会使这些物体成为一种混乱的根源 - “每个人的三角形在其长方体的左右两侧都指向上方吗?”并不一定简洁明了。此外,测量仅限于特殊设计的物体这一事实使得实施变得不切实际 - 如果学生想要测量一本书怎么办?

与MSB的老师进行头脑风暴使我们想到了创建一个“基础”,它将作为一个固定的三维坐标系。通过这种方式,可以测量任何对象,因为它不需要嵌入任何特殊的方向标记。几个月后,设计得到了优化,最终产品如下所示。该板采用AutoCAD设计,导入VCarve Pro,最后使用Shopbot Desktop CNC路由器从中密度纤维板切割而成。最初,我们计划使用三个APH盲文标尺作为我们的x,y和z轴。这与y轴和z轴兼容,但在标尺旋转x轴时,发现编号是向后的。因此,我们开始设计我们自己的盲文标尺,可以在任何FDM打印机上轻松打印。由于这些大多是具有凸起字体的扁平物体,因此它们非常容易以高分辨率打印。根据学生的说法,嵌在表面上的盲文显得清晰,虽然有点粗糙,所以需要进行一些轻度打磨。 z轴是专门设计的凹槽,允许导向器在标尺上下滑动,以便于确定物体的高度。对该设计进行了几次迭代,并确定凹槽是最佳的,允许导向器以轻微的力滑动但不是由于重力。

带引导的完整z轴标尺

为“标题”瓦片提供空间,允许人们描述测量系统(即度量,1cm标记)。

笛卡尔坐标轴测量金刚石晶格的晶胞的比例模型的尺寸。由Micah Rubin设计和印刷的钻石晶格。

z轴的设计使我们考虑了另一种可以独立使用或与测量板结合使用的设计。特别是一位学生对在家中拥有自己的测量板和标尺的前景感到非常兴奋,因此我们开始设计一种更加便携的工具,受到制造商的喜爱:卡尺。标尺的设计类似于上图中y轴标尺的设计,尽管盲文经过略微修改,数量从0到18厘米不等。卡钳分为四个部分:底座,顶部,滑块和尺子本身。滑块安装在导轨上,顶部和底座用环氧树脂固定在尺子上,如下图所示。

完全3D打印的手持式盲文卡尺,便于测量。

我们的实验室和密苏里盲人学校之间的合作正在进行中,我们期待更多令人兴奋的设计。作为该项目的结果,MSB获得了重要的资助,使他们能够购买自己的3D打印机。当然,这在学生中很受欢迎。我们一直在帮助MSB实验的教师使用Rhinoceros三维建模程序,这是一个强大的工具,可以让他们对我们的设计进行修改,并在需要时创建自己的设计。未来的项目包括具有内部齿轮的分子结构,允许键旋转和键角调整,具有标记分子轨道的模型,更复杂的晶格等。

您可以下载此处显示的模型的STL和3DM文件。有关这些项目的联系信息和更多信息,请访问我们实验室的网站。欲了解更多信息,您还可以访问密苏里州盲人学校。

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