亲子 DIY 互动机器人 Little Timmy 制作全指南

一、核心电子元件

1. 树莓派 3（Raspberry Pi 3）
2. 功能：主控单元，运行面部追踪算法和交互逻辑。
3. 配置建议：安装最新版 Raspberry Pi OS（推荐 64 位版本），通过sudo raspi-config启用摄像头接口12。
4. 扩展：建议配备至少 16GB microSD 卡（Class 10 以上）和 5V/2.5A 电源适配器。
5. 树莓派摄像头（Raspberry Pi Camera）
6. 型号：官方 V2 摄像头（8MP）或 CSI 接口兼容摄像头。
7. 连接：将柔性排线金属面朝 HDMI 接口插入树莓派 CSI 插槽，确保卡扣固定11。
8. 测试：在终端运行libcamera-hello验证摄像头工作状态11。
9. Arduino Nano V3.0（ATmega328P）
10. 驱动安装：
11. Windows：从WCH 官网下载 CH340G 驱动，安装后设备管理器中会识别为USB Serial Port (COMx)16。
12. macOS/Linux：系统自动识别，若权限不足可运行sudo chmod a+rw /dev/ttyUSB015。
13. 舵机（SG90 × 2）
14. 控制原理：通过 PWM 信号调节角度（0.5ms-2.5ms 对应 0°-180°），周期 20ms5。
15. 接线：信号线接 Arduino 数字引脚（如 D9、D10），电源线（红色）接 5V 独立电源，地线（棕色）与 Arduino 共地23。
16. OLED 屏幕（128x64 像素 × 2）
17. 驱动库：安装 Adafruit SSD1306 库（通过 Arduino 库管理器搜索 “Adafruit SSD1306”）26。
18. 接线（I2C 模式）：

1. 触摸传感器
2. 型号：推荐 TTP223 电容式触摸模块。
3. 接线：信号线接 Arduino 数字引脚（如 D2），电源线（VCC）接 5V，地线接 GND27。
4. 蜂鸣器
5. 接线：正极接 Arduino 数字引脚（如 D8），负极接 GND，需串联 220Ω 电阻限流。

1. 杜邦线（F/F）
2. 类型：公对公（Male-to-Male）用于连接开发板与传感器，建议准备至少 20 根（10cm/20cm 各 10 根）9。
3. 质量建议：选择带屏蔽层的线材以减少干扰，特别是舵机信号线9。
4. Arduino 扩展板（Shield）
5. 功能：整合舵机、OLED、触摸传感器等接口，简化接线。
6. 推荐型号：兼容 Arduino Nano 的 Stackable Shield 或自定义 3D 打印支架。
7. 3D 打印部件
8. 设计资源：
9. 头部支架：在 Thingiverse 搜索 “Little Timmy Head Mount”22。
10. 身体框架：参考项目 “Otto DIY Robot” 的开源 STL 文件（Hackaday 链接）2。
11. 打印参数：层高 0.2mm，填充率 20%，使用 PLA 材料。

首先，需将手臂、手部、腿部和脚部组装起来。我使用了家里现有的小螺丝进行固定，当然也可以用胶水替代。

第二步，安装舵机以实现头部的平移（pan）和倾斜（tilt）功能。其中一个舵机安装在身体内部，另一个则安装在颈部。

我用胶水固定了 LCD 眼睛、触摸传感器、摄像头和蜂鸣器。不过我的计划是，未来会修改设计，让这些部件无需胶水也能妥善安装。

为方便接线，我使用了一块 Arduino Nano 扩展板（Shield）。

具体连接方案如下：

1. D7 引脚 → 触摸传感器
2. D4 引脚 → X 轴舵机
3. D5 引脚 → Y 轴舵机
4. D12 引脚 → 蜂鸣器

两个 OLED 屏幕共用以下引脚：

1. SDA（串行数据）→ A4 引脚
2. SCL（串行时钟）→ A5 引脚

Arduino 与树莓派通过 USB 线连接。

连接注意事项

1. 接线顺序：建议先连接地线（GND），再连接电源线（VCC），最后连接信号线，避免静电损坏元件。
2. OLED 共线：由于两个 OLED 共用 I2C 总线，需确保两者的 I2C 地址不同（可通过屏幕背面的跳帽调整，默认通常为 0x3C 和 0x3D），避免通信冲突。
3. USB 连接：Arduino 与树莓派连接后，需在树莓派中确认串口设备（通常为/dev/ttyUSB0或/dev/ttyACM0），并通过ls -l /dev/tty*命令验证连接状态。

为实现面部追踪功能，我在树莓派上使用了 OpenCV 库。我修改了一个从 GitHub 上找到的示例程序，让树莓派能够向 Arduino 发送指令，再由 Arduino 控制舵机、传感器和眼睛（屏幕）。

编写这个玩具的代码需要准备以下工具：

1. Arduino IDE（用于编写 Arduino 代码）
2. 装有树莓派系统（Raspbian）、OpenCV 库和 Python 的树莓派

你可以在我的 GitHub 仓库（https://github.com/bhm93/littleTimmy）中找到 Arduino 代码和树莓派的 Python 代码。

若要激活面部追踪功能，需在树莓派上运行face-track-arduino.py程序。