本發明涉及運動模擬，具體涉及一種兒童手持運動全方位模擬微型控制環，用于全方位記錄和模擬肢體運動，尤其適用于體育運動訓練和互動游戲。

背景技術：

1、隨著兒童體育教育與家庭娛樂需求的提升，兒童運動模擬類產品逐漸增多。現有方案主要包括：基于攝像頭/視覺識別的體感系統、面向某一類運動的專用模擬器、以及成人健身類的智能器械或vr控制器。然而這些方案在兒童場景中存在明顯不足：

2、1.視覺識別類系統對環境依賴強（光照、遮擋、空間距離、背景雜亂），對兒童快速、隨意的動作捕捉不穩定，存在延遲和誤判，且缺乏握持與用力的觸覺反饋，不利于形成真實的運動交互體驗。

3、2.專用運動模擬器通常針對單一或少量運動姿態，結構復雜、體積大、重量重，成本較高，難以覆蓋多種體育項目的動作特征，且便攜性差，不適合兒童在家庭或教室中靈活使用。

4、3.成人健身設備和vr手柄多為成人手型和肌力設計，握持尺寸、重量、操作邏輯（按鍵為主）對兒童不友好；同時其對兒童常見的搖晃、擠壓、抓握變化等自然動作識別不足，存在安全隱患和學習成本高的問題。

5、4.可穿戴腕帶/手環類設備多數僅依賴加速度或簡單陀螺信息，難以區分單手與雙手不同握持位、無法獲取用力/擠壓等壓力維度數據，動作語義表達有限，很難模擬球拍揮動、雙手拉伸、擠壓控球等多樣化體育場景。

6、在技術方面，現有產品在兒童運動模擬的多維數據融合方面存在缺口：缺乏將加速度、角速度與壓力（握持與擠壓）三類關鍵數據相結合的通用、輕量化手持載體，無法在三維空間內穩定、低功耗地實時獲取運動方向、位移、旋轉角度與用力程度，并映射到多種體育動作模型。此外，設備的安全柔性設計、雙手/單手自動識別、無線互聯與低功耗穩定性也未得到同時兼顧。

技術實現思路

1、為了克服上述不足，本發明的目的在于提出一種兒童手持運動全方位模擬微型控制環，通過環形控制器進行加速度、角速度和壓力監測識別出兒童多種體育運動，為兒童群體提供便捷、自然的操作方式，讓兒童可以輕松地控制設備，解決現有視覺識別依賴強、設備笨重、識別姿態單一、操作不友好的問題，實現對兒童多種體育運動的自然、直觀、便攜、安全的交互模擬與數據采集。

2、為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

3、基于上述目的，本發明提供了一種兒童手持運動全方位模擬微型控制環，包括手持控制環主體和運動模擬數據監測模塊；所述手持控制環主體采用環形結構，形成微型手持控制環；所述運動模擬數據監測模塊可拆卸嵌入在手持控制環主體中，并與手持控制環主體中內置的陀螺儀數據監測模塊、壓力感應器監測模塊和無線傳輸模塊電連接；所述手持控制環主體的環周上設置至少三個手持位置，并在每一手持位置均設置有與所述壓力感應器監測模塊相連接的觸摸傳感器。

4、作為本發明的進一步方案，所述手持控制環主體采用韌性可擠壓材質制成，具有由圓形受力變形為橢圓形并回彈的能力，所述手持控制環主體上設置的至少三個手持位置內置的觸摸傳感器用于檢測并判斷雙手手持位和單手手持位。

5、作為本發明的進一步方案，所述運動模擬數據監測模塊包括慣性測量單元、壓力感應估算單元以及微處理器，所述慣性測量單元用于在三維空間中采集前、后、左、右、上、下的移動方向與位移、旋轉角度、角速度與加速度數據；所述壓力感應估算單元用于在雙手手持位擠壓時獲取或推算擠壓力；所述微處理器用于根據觸摸傳感器的握持位識別結果，執行傳感數據的校準與融合、動作片段分割與特征提取，生成運動數據模型，并通過所述無線傳輸模塊發送至外部顯示終端或遠程服務器。

6、作為本發明的進一步方案，所述觸摸傳感器分別布置于三個手持位置，微處理器根據觸摸觸點數量、位置組合及持續時間閾值自動判斷單手手持位或雙手手持位，并根據手持位切換數據解析模式與動作識別參數。

7、作為本發明的進一步方案，所述慣性測量單元為多軸慣性傳感器，包含加速度計與陀螺儀，采用msms陀螺儀或同類多軸陀螺儀，采集并輸出位移方向、位移距離、旋轉角度、角速度與加速度的實時數據。

8、作為本發明的進一步方案，所述微處理器被配置為：

9、實時處理慣性測量單元采集的實時數據；

10、通過算法融合加速度計和陀螺儀數據，生成三維運動軌跡；

11、根據觸摸傳感器的輸入信號切換工作模式。

12、作為本發明的進一步方案，所述無線傳輸模塊支持藍牙ble、wifi、rf和nb-iot中的一種或多種通信協議，用于實時發送運動模擬數據并接收外部顯示終端或遠程服務器返回的反饋信息，具有傳輸速度快、穩定性高、功耗低的特性。

13、作為本發明的進一步方案，該微型控制環還包括電源模塊，所述電源模塊采用可循環充電的鋰電池或紐扣電池，并包括充電管理與電源保護電路，以為慣性測量單元、觸摸傳感器、微處理器及無線傳輸模塊供電。

14、作為本發明的進一步方案，該兒童手持運動全方位模擬微型控制環進行兒童體育動作識別，包括以下步驟：

15、握持檢測：通過三個手持位置的觸摸傳感器識別單手或雙手手持位，并將握持狀態發送至微處理器；

16、數據采集：慣性測量單元采集前、后、左、右、上、下移動方向與位移、旋轉角度、角速度與加速度數據；壓力感應估算單元獲取或推算擠壓力；

17、數據校準與融合：微處理器進行靜態與動態校準、濾波與補償，并將加速度、角速度與壓力數據融合生成運動數據模型；

18、動作識別與映射：根據握持位與預設場景模型識別體育動作類型并映射到對應交互指令；

19、無線傳輸：通過無線傳輸模塊將運動數據模型與識別結果發送至外部顯示終端或遠程服務器，并接收反饋信息用于模式或參數調整。

20、作為本發明的進一步方案，數據采集時，獲取或推算擠壓力包括在雙手手持位擠壓環體時，檢測環體由圓形變為橢圓形導致的慣性測量單元姿態變化量，并結合環材質的反變形力參數計算擠壓力；當存在壓力傳感器或應變傳感器時，直接采集壓力值并與估算壓力進行融合校準。

21、與現有技術相比較而言，本發明提出的一種兒童手持運動全方位模擬微型控制環，具有以下顯著有益效果：

22、本發明的控制環主體采用環形結構符合人體工學，完美適配兒童手掌尺寸，支持單手持握或雙手操作，相比傳統手柄式控制器重量減輕，極大提升了使用舒適度和便攜性，通過集成高精度加速度計和陀螺儀傳感器，可實時監測三維空間中的位移、旋轉和加速度變化，相比現有技術僅能檢測單一平面運動，本發明可實現全向動作記錄，特別適合模擬網球揮拍、籃球投擲等復雜運動軌跡，并通過多傳感器數據融合處理，消除單一傳感器誤差，實時生成三維運動軌跡，具備自動模式切換功能，根據觸摸輸入智能調整工作狀態，在便攜性、功能性、安全性和互動性等方面均取得突破性進展，為兒童運動模擬設備設立了新的技術標準，具有顯著的市場競爭優勢和推廣應用價值。

23、本技術的這些方面或其他方面在以下實施例的描述中會更加簡明易懂。應當理解的是，以上的一般描述和后文的細節描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本技術。