如何利用树莓派和Python，将显示屏改造为一个简单却富有表现力的机器人面部

机器人并不总是需要复杂的显示屏或摄像头才能展现个性。有时，一双简单的动画眼睛就足以让机器人显得更具互动性。

本项目使用树莓派5和1.8英寸ST7735 TFT显示屏，制作了一个小型的动态机器人面部。显示屏上的两只表情生动的眼睛可以移动、眨眼并改变形状，以传达不同的情绪。

该项目的核心理念是通过眼睛本身的形状和运动来表达情绪，无需瞳孔或复杂的图形设计。这使得系统更轻便，适合基于树莓派的小型机器人使用。

我为何打造它

我想创建一个简单直观的视觉界面，可直接添加到机器人上，而无需配备大型显示屏或强大的图形处理系统。

小型的ST7735 TFT显示屏价格低廉、体积小巧，通过SPI接口与树莓派连接非常方便。然而，仅显示静态的眼睛并不能让机器人显得足够有互动感。

因此，目标是创建一个动画引擎，使其眼睛能够自然移动，并对不同事件做出反应。

该项目围绕三个主要需求设计：

- 简单的图形，可在小型TFT显示屏上运行;

- 平滑的眼部运动，避免突然跳跃;

- 多种表情，可由另一个Python程序控制。

硬件

该项目的硬件非常简单。

组件：

•Raspberry Pi 5

•1.8英寸ST7735 TFT LCD，分辨率为128 × 160

•跳线(母对母)

Raspberry Pi负责图形和动画处理，而ST7735显示屏则作为机器人的“面孔”。

显示屏连接

ST7735显示屏通过SPI协议与Raspberry Pi通信。显示屏的SDA引脚用作SPI的MOSI/数据线，而非I2C的SDA接口。

接线方式如下：

设置显示屏

我参考了以下指南：《如何让1.8英寸ST7735 LCD显示屏与Raspberry Pi Zero W配合使用》

为解决此错误，请使用以下命令：

此外，还需要安装以下库：

因此，你需要使用以下命令编辑已安装的ST7735库的主文件：

显示屏配置为SPI通信，并旋转至水平方向，以使用160×124的工作区域。

显示屏初始化如下：

在实现显示屏功能之前，先完成这一工作，有助于在开发动画系统前更早地分离硬件与软件问题。

设计机器人眼睛

项目最初版本使用的是简单的矩形眼型。

机器人的眼睛形状本身被用来传达其状态，而不是在眼睛内部绘制图像。

例如，当机器人感到惊讶时，眼睛会变大;当它睡觉时，眼睛会变窄;当它生气时，眼睛则会倾斜。

该项目实现的主要表情包括：

•正常

•快乐

•生气

•惊讶

•睡眠

•眨眼

•向左转

•向右转

这种方法在保持图形简单的同时，仍能让机器人表现出不同的表情。

机器人眼睛引擎

主要的软件组件是 robot_eyes_engine.py。

该文件负责与显示屏通信、绘制眼睛形状以及控制动画效果。

它提供了改变机器人表情和移动眼睛的功能。

例如：

一段简短的 robot_eyes_engine.py 代码，展示了 RobotEyes 类及其初始化过程。

平滑的眼部运动

项目中最重要的部分之一是眼部运动。

如果实现简单，眼睛的位置可能会直接从一个位置快速移动到另一个位置，但这样会导致机械化的运动效果。

相反，动画引擎会计算出从起始位置到目标位置之间的中间位置。

通过使用缓动函数(ease-in/ease-out)，在多个帧之间持续更新眼球的运动。眼睛开始快速移动，接近目标位置时逐渐减速，最终稳定在原位。

这种设计使运动看起来更加自然，而无需复杂的图形处理。

表情也可以与运动结合使用。例如，机器人可以一边侧头，同时表现出惊讶的表情。

控制机器人面部

第二个主要程序是 robot_face.py。

虽然眼睛引擎负责实际的图形和动画处理，但 robot_face.py 负责控制机器人的行为。

它可以随机触发各种动作，例如朝不同方向看、眨眼或改变表情。

这种分离使得系统更容易扩展。另一个机器人程序可以使用相同的视觉引擎，并在发生任何情况时触发表情。

例如，当机器人的超声波传感器检测到障碍物时，它就可以显示惊讶的表情。

完整的 robot_face.py 文件应上传至 Hackster Code 部分。

运行项目

连接显示屏并安装所需的 Python 库后，即可从 Raspberry Pi 的终端启动机器人面部程序。

使用以下命令可启动主行为程序：

该程序将初始化显示屏并开始机器人面部动画。

程序运行后，显示屏会持续进行不同的动作和表情。

项目结构

该项目包含多个版本的机器人眼睛软件。不同版本支持基于瞳孔的眼睛、无瞳孔的眼睛以及不同的动画行为。

robot_eyes_engine.py

这是主的基于瞳孔的机器人眼睛引擎。它负责处理ST7735显示屏，绘制眼睛和瞳孔，提供多种表情，并使瞳孔在不同方向上平滑移动。此外，还包含眨眼、眯眼、扫描以及随机眼球运动功能。

robot_face.py

这是一个简单的行为程序，使用robot_eyes_engine.py实现。它演示机器人向前看、向左看、向右看、返回中心以及持续眨眼的效果。

robot_eyes_engine_nop.py

这是无瞳孔版本的眼部引擎。该版本不使用瞳孔来指示方向，而是整个眼睛形状在显示屏上移动。眼睛形状本身也会变化，以产生如正常、开心、生气、惊讶、睡觉、眨眼和眯眼等表情。

NOP表示“无瞳孔”。在此版本中，眼睛只是黑色背景上的白色形状，没有独立的瞳孔。

robot_face_nop.py

这是无学员版本的演示程序。它展示了不同的表情、眨眼、眨眼、对角运动、扫描以及空闲动画。

robot_face_nop_fast.py

此版本注重快速、流畅且无缝的运行效果。通过缩短动作持续时间并采用随机化行为，使机器人看起来更加自然且反应灵敏。它可以四处观察、眨眼、双闪、聆听，并表现出开心、惊讶和生气等反应。

robot_eyes.py

这是一个简单的独立版本，直接在ST7735显示屏上绘制两个基本的机器人眼睛。在开发更复杂的动画引擎之前，该程序曾作为显示眼睛的基本起点。

README.md

该文件包含有关项目、其文件、设置和使用方法的附加信息。

两个主要版本

因此，该项目可视为具有两种主要实现方式。

基于瞳孔的眼睛

眼睛保持不动，而瞳孔移动以指示机器人注视的方向。

无瞳孔的眼睛

整个眼睛形状会移动并变化，从而产生机器人的表情和注意力方向。

无瞳孔方案旨在仅通过眼睛形状本身来创建更简洁、更简约的机器人面部。Hackster建议使用清晰的章节标题，并将代码与主要说明性文本分开，因此完整的.py文件应上传至代码部分，而故事中只显示简短的相关片段。

测试

项目通过分别测试不同的表达和运动功能，再将它们组合成主机器人行为进行验证。

主要测试内容包括：

•显示初始化

•眼睛渲染

•左右移动

•上下移动

•对角移动

•闪烁

•眨眼

•表情变化

•平滑过渡

•持续空闲运行

最终呈现的是一张小型机器人脸，能够完全由树莓派驱动，持续移动并变换表情。

结论

本项目展示了如何利用树莓派和Python，将一块1.8英寸的ST7735 TFT显示屏改造为一个简单却富有表现力的机器人面部。

该项目注重保持图形轻量的同时，使动画效果流畅自然。通过将动画引擎与机器人的行为分离，相同的视觉系统也可在不同的机器人项目中重复使用。

最终成果是一个紧凑的可视化界面，赋予基于树莓派的机器人鲜明的个性，并通过动作和表情来传达其状态。

本文编译自hackster.io