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Merge pull request #4 from ckhroulev/case
[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 programs with good key rebinding functionality, you're probably in
33 good shape. For instance, there is no =tab= key, but in a terminal,
34 =control-i= literally sends a tab keycode, and other programs can be
35 configured to treat it equivalently as well. Similarly, =enter= is in
36 a bit of an awkward position, but many programs treat =control-m= as
37 the same.
38
39 ** Layout
40
41 Only a handful of punctuation marks (and no digits) are available
42 unshifted, and all the modifiers are on the bottom row:
43
44  :    '     ,     .     p     y       ||       f     g     c     r    l
45  :    a     o     e     u     i       ||       d     h     t     n    s
46  :    ;     q     j     k     x       ||       b     m     w     v    z
47  :   esc   tab  super shift bksp ctrl || alt space  fn     -     /  enter
48
49 The numbers and most of the punctuation are on the fn layer with a
50 numpad-style arrangement under the right hand:
51
52  :    !     @     {     }     |       ||     pgup    7     8     9    *
53  :    #     $     (     )     `       ||     pgdn    4     5     6    +
54  :    %     ^     [     ]     ~       ||       \     1     2     3    ?
55  :  reset paste                       ||     hwdv          .     0    =
56
57 An alternate layout has the numbers in a more traditional row across the top:
58
59  :    1     2     3     4    5        ||       6     7     8     9    0
60  :    -     +     (     )    =        ||       .     [     ]     {    }
61  :    !     @     #     $    %        ||       ^     &     *     ~    ?
62  :  reset paste              `        ||     hwdv        pgup  pgdn   \
63
64 I type in Dvorak but prefer to do the remapping in software rather
65 than hardware so I don't have to change layouts when I switch to my
66 laptop's internal keyboard. However, the =hwdv= key switches it to
67 hardware dvorak mode, which is useful for attaching to computers that
68 may not have software dvorak set up. The =paste= key sends
69 shift+insert, while the =reset= button activates the bootloader,
70 allowing easy reprogramming without opening the case.
71
72 This is all a matter of firmware though; the layout is easy to change
73 after the fact.
74
75 ** Parts
76
77 *** Switches
78
79 This layout has five modifiers and 37 non-modifiers.
80
81 I strongly prefer the feel and sound of tactile [[http://mechanicalkeyboards.com/shop/index.php?l=product_detail&p=651][Cherry MX blue]]
82 switches for typing. However, I like having linear switches on the
83 modifier keys (ctrl, alt, super, shift, and fn). [[http://mechanicalkeyboards.com/shop/index.php?l=product_detail&p=102][Cherry MX red switches]]
84 are nice and light but are expensive and difficult to
85 find. [[http://mechanicalkeyboards.com/shop/index.php?l=product_detail&p=103][Cherry MX black switches]] are cheaper and easier to source, but
86 may be too heavy, especially for keys under pinky fingers.
87
88 One trick is take the springs from some of your blue switches and
89 trade them with the springs from your black switches. The blacks then
90 become the equivalent of reds, and the blues become MX green switches,
91 which are a heavier variant of blues. These are typically used for
92 space bars on boards that otherwise use blues. They could be suitable
93 for non-modifier thumb keys like backspace, space, and enter. However,
94 the recommended layout above has all its modifiers under the thumbs,
95 so this is not an issue.
96
97 *** Diodes
98
99 In order to avoid ghosting, each switch needs a [[https://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2062587][1N4148 diode]].
100
101 *** Microcontroller
102
103 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
104 without headers so it will fit in between the bottom layer and the plate.
105
106 *** Keycaps
107
108 This [[http://keyshop.pimpmykeyboard.com/product/dsa-pbt-blank-sets][DSA-shaped base set]] (spherical indentations on the key, same
109 profile for each row) from Signature Plastics has 52 1x keys plus a
110 few extras we won't use. There are two "deep dish" keys in that set
111 which you can place under your index fingers on the home row to help
112 guide your hands to the right spot without looking. However, you only
113 get a single 1.5x keycap, and the middle two thumb keys both use them,
114 so you might want to pick up an extra.
115
116 If you want labels on your keycaps, you can get a full labelled
117 standard 104-key set from [[http://elitekeyboards.com/products.php?sub=access#cherrymxkeys][Elite Keyboards]] as well. However, the
118 modifiers in that set are larger than what the Atreus uses, so you'll
119 have to place some mis-labelled caps on the bottom row.
120
121 ** Case
122
123 Layered laser-cut acrylic; see [[file:case.svg][case.svg]].
124
125 [[layers.jpg][layers.jpg]]
126
127 The first two shapes in the case file are the top and bottom covers;
128 these should be cut on 3mm acrylic (black in the photo). The third is
129 the spacer that goes under the fourth, which is the plate on which the
130 switches are mounted. These should be cut in 6mm, especially the
131 spacer, which needs to be at least as thick as the micro USB cable you
132 connect to the microcontroller. The switch plate could be thinner,
133 but not under 3mm.
134
135 On a 100W Epilog laser, the 3mm layers cut in about a minute and a
136 half. I did a run with 6mm acrylic of the other layers which took
137 nearly 6 minutes.
138
139 ** Firmware
140
141 My [[https://github.com/technomancy/tmk_keyboard/tree/atreus][fork of the tmk firmware]] has support for the Atreus layout.  You
142 should be able to cd into the =keyboard/atreus= directory and run
143 =make KEYMAP\=atreus= (or whichever variant you want) to produce a
144 qwerty =atreus.hex= file. You will probably want to create your own
145 layout once you've gotten a chance to try it and see what works for
146 you. Use the =.hex= file with the [[http://www.pjrc.com/teensy/loader.html][teensy loader]] or Arduino tools to
147 upload to the microcontroller.
148
149 Once the firmware is loaded and the keyboard is assembled, pressing
150 the onboard reset button to update new versions of the firmware is
151 pretty cumbersome; instead use the "reset" button on the lower left
152 of the layout which has the same effect.
153
154 I'm working on an experimental Forth-based firmware in the [[https://github.com/technomancy/orestes][Orestes]]
155 project, but that project is still in its infancy at the time of this
156 writing.
157
158 ** Bill of Materials
159
160 - 50 MX Blue switches: $29.00 (mechanicalkeyboards.com)
161 - 50 diodes: $3.45 (radio shack, should be able to buy in-person)
162 - Base blank DSA keycap set: $18.00 (signatureplastics.com)
163 - Teensy 2: $16 (pjrc.com or mechanicalkeyboards.com)
164 - Acrylic materials: $11
165 - Acrylic laser cutting: 7.5 at $3/min (varies by thickness of acrylic)
166
167 - Labelled 104 keycap set: $20.00 (optional, replaces DSA set above)
168 - 5 MX Black switches: $8.50 (optional)
169 - 5 MX Red switches: $10.00 (optional)
170 - additional 1.5x DSA keycap: $1 (optional)
171
172 =(+ 29 3.45 18 16 11 (* 3 7.5))= $99.95 plus tax/shipping
173
174 - mechanicalkeyboards.com: free shipping in the US
175 - Signature Plastics (keycaps) US shipping: $8.00
176 - PJRC (teensy) shipping: $3.03
177
178 *** Cost-saving Options
179
180 There are a few ways to lower the cost further.  Using [[http://mechanicalkeyboards.com/shop/index.php?l=product_detail&p=482][Matias]] key
181 switches could save you a fair bit if you go in on a 90-pack with
182 someone else, but they're a little harder to find keycaps for; the MX
183 caps won't work on them. Using wood for the case will reduce both the
184 materials cost as well as the amount of time needed to cut the case.
185
186 Replacing the colored acrylic with transparent might also save a few
187 dollars. You could also use thinner acrylic for the switch plate too;
188 I cut mine in 4.5mm. A thinner spacer is inadvisable; even with 6mm
189 it's pretty tight.
190
191 Another common trick is scavenging keycaps and switches from used
192 keyboards; something with Cherry or Alps switches should work. This
193 can be time-consuming though.
194
195 *** Other Tools
196
197 You'll need a soldering iron, solder, a glue gun, a multimeter, wire,
198 wire strippers, and a USB mini cable. You'll also need seven M3
199 machine screws with nuts; the length of the screws depends on the
200 thickness of the acrylic you use. You can add rubber feet to thet
201 bottom to prevent the board from sliding around when placed on a desk.
202
203 ** Assembly
204
205 Once you have all the parts, the first thing to do is glue the
206 switches to the switch plate since there's no PCB to hold them in
207 place. Be aware that the screw holes unfortunately are not
208 symmetrical, so before inserting the switches it's important to ensure
209 that the plate is right-side-up. Use a drop of hot glue on the top and
210 bottom of each switch to affix it in place.
211
212 [[wires.jpg]]
213
214 Once the switches are in place, the matrix must be created. I
215 recommend getting red wire for the (postitive) rows and black for the
216 (negative) columns. The rows need eight wires with the insulation
217 exposed at intervals matching the spacing of the switches; see the
218 above photo for details. You could also just use many short stripped
219 segments of wire instead of a contiguous piece.
220
221 [[thumb-diagram.jpg]]
222
223 Most of the row wires will need four segments of insulation, but
224 you'll need two with five for the rows with the inner thumb
225 keys. Physically the inner thumb keys look like two additional
226 columns, but logically they are treated as if they're in the same
227 column with the left one in row 3 and the right one in row 4.
228
229 [[matrix.jpg]]
230
231 The exposed sections of row wire should be connected to the higher of
232 the pins on the switch using a diode. Be aware that diodes are
233 directional! The band around the diode should point to the top of the
234 board. Take care with the upper row that you don't let the wire go too
235 close to the top edge of the board; avoid getting in the way of the
236 spacer layer. Once the rows are wired, the remaining (negative) pin of
237 each switch should be wired into the negative pin of the switch above
238 and below it with black wire. This should be slightly easier since no
239 diode is necessary. The photo above shows the completed matrix for one
240 side. Test each row and column as you go with a multimeter. You should
241 be able to get continuity from row to column when the corresponding
242 switch is activated.
243
244 After the matrix has been wired on both sides, the next step is to
245 connect the microcontroller. The TMK firmware has the rows in pins D0,
246 D1, D2, and D3 of the microcontroller. You'll need to connect the rows
247 from both the left and right sides into the proper pin. There are more
248 columns than rows, so I used ribbon cable to bring the column
249 connections back to the microcontroller from the outside in. The
250 columns go to pins F0, F1, E6, C7, C6, B6, D4, B1, B0, B5, and
251 B4. It's important to realize that when you flip over the board
252 in order to solder it, you have to flip over the schematic in your
253 mind too. If you count your columns from the left, you'll get them
254 backwards. (Which I actually did for the first half.)
255
256 [[controller.jpg]]
257
258 Once you've wired one side of the microcontroller in, it would be a
259 good time to test it. You'll need to compile and upload as per the
260 "Firmware" section above. At this point you should be reading real
261 keycodes from the half of the keyboard that you've wired. Once you've
262 confirmed that's working, continue with the other half. Then screw the
263 other layers in place and you're all set!
264
265 ** Inspiration
266
267 These fine projects all provided inspiration for various aspects of
268 the Atreus, as well as the folks on the =#geekhack= freenode channel.
269
270 - [[http://ergodox.org][Ergodox]]
271 - [[http://deskthority.net/workshop-f7/onehand-20-keyboard-t6617.html][OneHand]]
272 - [[http://blog.fsck.com/2013/12/better-and-better-keyboards.html][keyboard.io]]
273 - [[http://geekhack.org/index.php?topic=48718][ErgoT]]
274
275 ** Builds
276
277 If you've built an Atreus, please let us know (pull request or
278 otherwise) and get your name and link added here:
279
280 - [[http://technomancy.us/173][Phil Hagelberg]]
281 - [[http://blog.tarn-vedra.de/2014/04/reproducing-keyboard-science_1707.html][Moritz Ulrich]]
282 - [[http://geekhack.org/index.php?topic=57007.0][Constantine]]
283
284 ** License
285
286 Copyright © 2014 Phil Hagelberg
287
288 Released under the [[https://www.gnu.org/licenses/gpl.html][GNU GPL version 3]]