]> git.armaanb.net Git - atreides.git/blob - README.org
Link to new Atreus firmware; describe the difference to TMK.
[atreides.git] / README.org
1 * Atreus Keyboard
2
3 The [[http://ergodox.org][Ergodox]] keyboard is an absolutely fantastic design; I use it every
4 day at my office. However, I like to work away from the office
5 frequently, and I thought I might try my hand at designing something a
6 little more portable. The great thing about assembling my Ergodox is
7 that it taught me there's really nothing magical about it; it's just a
8 piece of circuitry with a bunch of switches read by a microcontroller
9 that speaks the USB HID interface.
10
11 The Atreus is meant to be complementary to the Ergodox as something
12 smaller, cheaper, and more travel-friendly. The case measures 25x11cm
13 and lacks even a number row, relying heavily upon the fn key. There is
14 no PCB in this design, requiring [[http://wiki.geekhack.org/index.php?title=Hard-Wiring_How-To][a manual matrix wiring approach]].
15 However, given that there are only 4 rows and 11 columns, this isn't
16 as daunting as it could be.
17
18 I've seen a number of existing DIY 40% keyboard designs, but most of
19 them stagger the rows, which I find very annoying now that I've gotten
20 used to the columnar layout of the Ergodox. In addition, many of the
21 designs I've seen waste a lot of room on the space bar, failing to
22 take into account the fact that the thumb is the strongest and most
23 versatile of the fingers. This design avoids both these problems while
24 taking a more couch-friendly single-piece approach.
25
26 [[./atreus.jpg]]
27
28 Having so few keys, this board is pretty idiosyncratic. It works very
29 well for the kind of work that I do, but it probably wouldn't be a
30 good fit for you if you do a lot of numerical data entry or make heavy
31 use of function keys, arrows, or home/end. If you primarily use
32 [[https://github.com/technomancy/dotfiles/commit/856a638350a26b0cdb0bcc82042ed77a3fa4bdea][programs with good key rebinding functionality]], you're probably in
33 good shape. For instance, =enter= and =tab= are in a bit of an awkward
34 position, but many programs treat =control-m= and =control-i= as
35 =enter= and =tab= respectively.
36
37 ** Layout
38
39 Only a handful of punctuation marks (and no digits) are available
40 unshifted, and all the modifiers are on the bottom row:
41
42  :    '     ,     .     p     y       ||       f     g     c     r    l
43  :    a     o     e     u     i       ||       d     h     t     n    s
44  :    ;     q     j     k     x       ||       b     m     w     v    z
45  :   esc   tab  super shift bksp ctrl || alt space  fn     -     /  enter
46
47 The numbers and most of the punctuation are on the fn layer with a
48 numpad-style arrangement under the right hand:
49
50  :    !     @     {     }     |       ||     pgup    7     8     9    *
51  :    #     $     (     )     `       ||     pgdn    4     5     6    +
52  :    %     ^     [     ]     ~       ||       \     1     2     3    ?
53  :  reset paste                       ||     hwdv          .     0    =
54
55 An alternate layout has the numbers in a more traditional row across the top:
56
57  :    1     2     3     4    5        ||       6     7     8     9    0
58  :    -     +     (     )    =        ||       .     [     ]     {    }
59  :    !     @     #     $    %        ||       ^     &     *     ~    ?
60  :  reset paste              `        ||     hwdv        pgup  pgdn   \
61
62 I type in Dvorak but prefer to do the remapping in software rather
63 than hardware so I don't have to change layouts when I switch to my
64 laptop's internal keyboard. However, the =hwdv= key switches it to
65 hardware Dvorak mode, which is useful for attaching to computers that
66 may not have software Dvorak set up. The =paste= key sends
67 shift+insert, while the =reset= button activates the bootloader,
68 allowing easy reprogramming without opening the case.
69
70 This is all a matter of firmware though; the layout is easy to change
71 after the fact.
72
73 ** Parts
74
75 *** Switches
76
77 This layout has five modifiers and 37 non-modifiers.
78
79 I strongly prefer the feel and sound of tactile [[http://mechanicalkeyboards.com/shop/index.php?l=product_detail&p=651][Cherry MX blue]]
80 switches for typing. However, I like having linear switches on the
81 modifier keys (ctrl, alt, super, shift, and fn). [[http://mechanicalkeyboards.com/shop/index.php?l=product_detail&p=102][Cherry MX red
82 switches]] are nice and light but are more expensive and difficult to
83 find. [[http://mechanicalkeyboards.com/shop/index.php?l=product_detail&p=103][Cherry MX black switches]] are cheaper and easier to source, but
84 may be too heavy if you modify the layout to include modifiers under
85 the pinkies.
86
87 *** Diodes
88
89 In order to avoid ghosting, each switch needs a [[https://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2062587][1N4148 diode]].
90
91 *** Microcontroller
92
93 An [[http://www.digikey.com/product-search/en/programmers-development-systems/evaluation-boards-embedded-mcu-dsp/2621773?k=arduino%20micro][Arduino Micro]] or [[http://www.pjrc.com/teensy/index.html][Teensy 2]] is recommended. Be sure to get one
94 without headers so it will fit in between the bottom layer and the plate.
95
96 *** Keycaps
97
98 This [[http://keyshop.pimpmykeyboard.com/product/dsa-pbt-blank-sets][DSA-shaped base set]] (spherical indentations on the key, same
99 profile for each row) from Signature Plastics has 52 1x keys plus a
100 few extras we won't use. There are two "deep dish" keys in that set
101 which you can place under your index fingers on the home row to help
102 guide your hands to the right spot without looking. However, you only
103 get a single 1.5x keycap, and the middle two thumb keys both use them,
104 so you might want to pick up an extra. (You can buy a single DSA 1.5x
105 keycap from [[http://www.keycapsdirect.com/key-capsinventory.php][Signature Plastics]].)
106
107 ** Case
108
109 Layered laser-cut wood or acrylic; see [[file:./case.svg][the =case.svg= file]].
110
111 TODO: mention the difference between mk. I and mk. II cases.
112
113 [[./layers.jpg]]
114
115 The first two shapes in the case file are the top and bottom covers;
116 these should be cut on 3mm acrylic (black in the photo). The third is
117 the spacer that goes under the fourth, which is the plate on which the
118 switches are mounted. These should be cut in 6mm, especially the
119 spacer, which needs to be at least as thick as the mini USB cable you
120 connect to the microcontroller. I recommend using a mini USB cable
121 with as thin a connector as you can find or sanding the connector
122 down to the required thickness. The switch plate could be thinner, but
123 not under 3mm.
124
125 On a 100W Epilog laser, the 3mm layers cut in about a minute and a
126 half. I did a run with 6mm acrylic of the other layers which took
127 nearly 6 minutes.
128
129 TODO: describe finishing process for wood.
130
131 ** Firmware
132
133 The [[https://gitlab.com/technomancy/atreus-firmware/blob/master/readme.md][custom Atreus firmware]] is a small (~100 LOC) project which
134 implements matrix scanning and debouncing with user-customizeable
135 layers and macro functions. Another option is the much more complex
136 TMK firmware. My [[https://github.com/technomancy/tmk_keyboard/tree/atreus][fork of the tmk firmware]] has support for the Atreus
137 layout. You should be able to change into the =keyboard/atreus=
138 directory and run =make KEYMAP=atreus= (or whichever variant you want)
139 to produce a qwerty =atreus.hex= file. You will probably want to
140 create your own layout once you've gotten a chance to try it and see
141 what works for you.
142
143 In either case you would use the =.hex= file produced with the [[http://www.pjrc.com/teensy/loader.html][teensy
144 loader]] or Arduino tools to upload to the microcontroller.
145
146 Once the firmware is loaded and the keyboard is assembled, pressing
147 the onboard reset button to update new versions of the firmware is
148 pretty cumbersome; instead use the "reset" button on the lower left
149 of the layout which has the same effect.
150
151 ** Bill of Materials
152
153 - 50 MX Blue switches: $29.00 (mechanicalkeyboards.com)
154 - 50 diodes: $3.45 (radio shack, should be able to buy in-person)
155 - Base blank DSA keycap set: $18.00 (signatureplastics.com)
156 - Teensy 2: $16 (pjrc.com or mechanicalkeyboards.com)
157 - Acrylic materials: $11
158 - Acrylic laser cutting: 7.5 at $3/min (varies by thickness of acrylic)
159
160 - 5 MX Black switches: $8.50 (optional)
161 - 5 MX Red switches: $10.00 (optional)
162 - additional 1.5x DSA keycap: $1 (optional)
163
164 =(+ 29 3.45 18 16 11 (* 3 10))= $99.95 plus tax/shipping
165
166 - mechanicalkeyboards.com: free shipping in the US
167 - Signature Plastics (keycaps) US shipping: $8.00
168 - PJRC (teensy) shipping: $3.03
169
170 *** Cost-saving Options
171
172 There are a few ways to lower the cost further.  Using [[http://mechanicalkeyboards.com/shop/index.php?l=product_detail&p=482][Matias]] key
173 switches could save you a fair bit if you go in on a 90-pack with
174 someone else, but they're a little harder to find keycaps for; the MX
175 caps won't work on them. Using wood for the case will reduce both the
176 materials cost as well as the amount of time needed to cut the case.
177
178 Replacing the colored acrylic with transparent might also save a few
179 dollars. You could also use thinner acrylic for the switch plate too;
180 I cut mine in 4.5mm. A thinner spacer is inadvisable; even with 6mm
181 it's pretty tight.
182
183 Another common trick is scavenging keycaps and switches from used
184 keyboards; something with Cherry or Alps switches should work. This
185 can be time-consuming though.
186
187 *** Other Tools
188
189 You'll need a soldering iron, solder, a glue gun, a multimeter, wire,
190 wire strippers, and a 5-pin USB Mini-B cable. You'll also need seven M3
191 machine screws with nuts; the length of the screws depends on the
192 thickness of the acrylic you use. You can add rubber feet to the
193 bottom to prevent the board from sliding around when placed on a desk.
194
195 ** Assembly
196
197 Once you have all the parts, the first thing to do is glue the
198 switches to the switch plate since there's no PCB to hold them in
199 place. Be aware that the screw holes unfortunately are not
200 symmetrical, so before inserting the switches it's important to ensure
201 that the plate is right-side-up. Use a drop of hot glue on the top and
202 bottom of each switch to affix it in place.
203
204 TODO: document using the diode legs for the columns.
205
206 [[./wires.jpg]]
207
208 Once the switches are in place, the matrix must be created. I
209 recommend getting red wire for the (positive) rows and black for the
210 (negative) columns. The rows need eight wires with the insulation
211 exposed at intervals matching the spacing of the switches; see the
212 above photo for details. You could also just use many short stripped
213 segments of wire instead of a contiguous piece.
214
215 [[./thumb-diagram.png]]
216
217 Most of the row wires will need four segments of insulation, but
218 you'll need two with five for the rows with the inner thumb
219 keys. Physically the inner thumb keys look like two additional
220 columns, but logically they are treated as if they're both in column
221 number 6; the left key in row 3 and the right one in row 4.
222
223 [[./matrix.jpg]]
224
225 The exposed sections of row wire should be connected to the higher of
226 the pins on the switch using a diode. Be aware that diodes are
227 directional! The band around the diode should point to the top of the
228 board. Take care with the upper row that you don't let the wire go too
229 close to the top edge of the board; avoid getting in the way of the
230 spacer layer. Once the rows are wired, the remaining (negative) pin of
231 each switch should be wired into the negative pin of the switch above
232 and below it with black wire. This should be slightly easier since no
233 diode is necessary. The photo above shows the completed matrix for one
234 side. Test each row and column as you go with a multimeter. You should
235 be able to get continuity from row to column when the corresponding
236 switch is activated.
237
238 After the matrix has been wired on both sides, the next step is to
239 connect the microcontroller. Both the Atreus and TMK firmwares have
240 the rows in pins D0, D1, D2, and D3 of the microcontroller.
241
242 |------------+----+----+----+----|
243 | row number |  1 |  2 |  3 |  4 |
244 |------------+----+----+----+----|
245 | pin number | D0 | D1 | D2 | D3 |
246
247 You'll need to connect the rows from the right side to the left side,
248 which then should be wired to the proper pin. There are more
249 columns than rows, so I used ribbon cable to bring the column
250 connections back to the microcontroller from the outside in.
251
252 Depending on the firmware you want to use, you'll wire the columns
253 differently. The simpler Atreus firmware simply starts at B0 and goes
254 up to F4-6, while the more featureful TMK firmware jumps all over the
255 place.
256
257 Atreus:
258
259 |---------------+----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+----|
260 | column number |  0 |  1 |  2 |  3 |  4 |  5 |  6 |  7 |  8 |  9 | 10 |
261 |---------------+----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+----|
262 | pin number    | B0 | B1 | B2 | B3 | B4 | B5 | B6 | B7 | F4 | F5 | F6 |
263
264 TMK:
265
266 |---------------+----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+----|
267 | column number |  1 |  2 |  3 |  4 |  5 |  6 |  7 |  8 |  9 | 10 | 11 |
268 |---------------+----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+----|
269 | pin number    | F0 | F1 | E6 | C7 | C6 | B6 | D4 | B1 | B0 | B5 | B4 |
270
271 (It may be possible to adapt the TMK firmware to the consecutive pinout.)
272
273 It's important to realize that when you flip over the board
274 in order to solder it, you have to flip over the schematic in your
275 mind too. If you count your columns from the left, you'll get them
276 backwards. (Which I actually did for the first half.)
277
278 [[./controller.jpg]]
279
280 Once you've wired one side of the microcontroller in, it would be a
281 good time to test it. You'll need to compile and upload as per the
282 "Firmware" section above. At this point you should be reading real
283 keycodes from the half of the keyboard that you've wired. Once you've
284 confirmed that's working, continue with the other half. Then screw the
285 other layers in place and you're all set!
286
287 ** Inspiration
288
289 These fine projects all provided inspiration for various aspects of
290 the Atreus, as well as the folks on the =#geekhack= freenode channel.
291
292 - [[http://ergodox.org][Ergodox]]
293 - [[http://deskthority.net/workshop-f7/onehand-20-keyboard-t6617.html][OneHand]]
294 - [[http://blog.fsck.com/2013/12/better-and-better-keyboards.html][keyboard.io]]
295 - [[http://geekhack.org/index.php?topic=48718][ErgoT]]
296
297 ** Builds
298
299 If you've built an Atreus, please let us know (pull request or
300 otherwise) and get your name and link added here:
301
302 - [[http://technomancy.us/173][Phil Hagelberg]]
303 - [[http://blog.tarn-vedra.de/2014/04/reproducing-keyboard-science_1707.html][Moritz Ulrich]]
304 - [[http://geekhack.org/index.php?topic=57007.0][Constantine]]
305
306 ** License
307
308 Copyright © 2014 Phil Hagelberg
309
310 Released under the [[https://www.gnu.org/licenses/gpl.html][GNU GPL version 3]]