(57)【要約】【課題】  シミュレータは、オービタル溶接継手の仮想溶接動作を容易にする。【解決手段】  シミュレータは、少なくとも一つの仮想溶接継手を有する仮想パイプの部分に対する溶接動作をエミュレートする、インタラクティブな溶接環境を生成するためのコード化された指令を実行するために使用可能な論理プロセッサベースのシステムを含んでもよい。それはまた、インタラクティブな溶接環境を視覚的に描写するために論理プロセッサベースのシステムに接続されたディスプレイを含み、ディスプレイは仮想パイプの部分を描写する。ペンダントが、溶接設備設定及び実時間での少なくとも一つの溶接継手に対する仮想溶接動作を行うために提供され、一つ又はそれ以上のセンサは、入力装置の動きに関するデータを論理プロセッサベースのシステムに通信するために、実時間で入力装置の動きを追跡するように構成される。【選択図】  図２１
2018049291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想溶接動作を容易にするためのシミュレータであって、
少なくとも一つの仮想溶接継手を有する仮想パイプの部分に対する溶接設定及び動作をエミュレートする、インタラクティブなオービタル溶接環境を生成するためのコード化された指令を実行するために使用可能な論理プロセッサベースのサブシステムであり、前記インタラクティブな溶接環境は、実時間で仮想溶接動作を実行することに反応する溶接パドルの流動性をモデル化する、論理プロセッサベースのサブシステム、
前記仮想溶接継手の溶接ピクセルマップ表面上に複数の液体粒子を流す、仮想動的流体粒子エミッタ、
前記インタラクティブな溶接環境を視覚的に描写するために前記論理プロセッサベースのサブシステムに動作可能に接続された表示手段であり、当該表示手段は前記仮想パイプの部分を描写し、さらに、当該表示手段は、前記溶接パドルを含む液体粒子を表示することによって、及び色を熱と関連付けることにより熱の大きさを表示することによって、前記溶接パドルの流動性及び熱放散特性を実時間で描写し、
前記サブシステムは、情報の複数のチャンネルを有し、
少なくとも一つのチャンネルは、特定の場所における任意の液化粒子に関する変位値を格納し、
少なくとも一つの他のチャンネルは、前記特定の場所における熱の大きさを格納し、且つ
少なくとも一つの追加的なチャンネルは、最初のベース金属に加えて、熱の前記大きさが放出された前記液体粒子の冷却閾値より下に落ちるときに前記特定の場所において凝固した液化粒子に関する前記変位値の総計を表す、
表示手段、及び
設定及び実時間での前記少なくとも一つの仮想溶接継手に対する仮想溶接動作を行うための、ペンダント型又は携帯型の入力装置、
を有する、シミュレータ。
【請求項２】
前記入力装置は、仮想現実溶接のための入力選択用の制御装置をエミュレートする、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項３】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、学習対象を拡張するために、使用者に基づく、制御装置又は相互作用の制限を更に有する、請求項２に記載のシミュレータ。
【請求項４】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、前記使用者がオービタル溶接環境を適切に設定できること又はエラー修復を達成できることを確かにするために、視覚的、聴覚的、物理的な変化に基づく、教示する相互作用又は反応を更に有する、請求項３に記載のシミュレータ。
【請求項５】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、入力を可能にし、入力された値に基づいて出力を提供する仮想計算機又は表を更に有する、請求項４に記載のシミュレータ。
【請求項６】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、誤った設定パラメータ又はパラメータの組み合わせに基づく、知的エージェントが使用可能な結果を更に有する、請求項４に記載のシミュレータ。
【請求項７】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、使用者によって入力されているべき適切な設定パラメータ又はパラメータの組み合わせを特定するための、知的エージェントが使用可能な入力を更に有する、請求項６に記載のシミュレータ。
【請求項８】
設定パラメータ又はパラメータの組み合わせの視覚的、聴覚的又は物理的なインジケータを更に有する、請求項７に記載のシミュレータ。
【請求項９】
オービタル溶接の経路を追跡するための、シミュレートされたカメラベースのシステムを更に有する、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項１０】
ファジー論理制御部ベースのシステムに基づく経路追従及び経路決定システムを更に有する、請求項９に記載のシミュレータ。
【請求項１１】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、使用者のための複数のレベルを更に有し、各レベルは、前記使用者の技能レベル、学習ペース及び学習スタイルに適する、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項１２】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、問題を発見、修正及び修復する使用者の能力を試験するために、人工知能に基づく障害指導を更に有する、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項１３】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、機器設定及び材料の欠陥に関する安全でない状況のシミュレーションを更に有する、請求項１２に記載のシミュレータ。
【請求項１４】
多言語機能を有する、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項１５】
仮想溶接動作を容易にするためのシミュレータであって、
少なくとも一つの仮想溶接継手を有する仮想パイプの部分に対する溶接設定及び動作をエミュレートする、インタラクティブなオービタル溶接環境を生成するためのコード化された指令を実行するために使用可能な論理プロセッサベースのサブシステムであり、前記インタラクティブな溶接環境は、実時間で仮想溶接動作を実行することに反応する溶接パドルの流動性をモデル化し、
当該論理プロセッサベースのサブシステムは、使用者がオービタル溶接環境を適切に設定できること又はエラー修復を達成できることを確かにするために、視覚的、聴覚的、物理的な変化に基づく、教示する相互作用又は反応を更に有し、
さらに、当該論理プロセッサベースのサブシステムは、入力を可能にし、入力された値に基づいて出力を提供する仮想計算機又は表を更に有し、
さらに、当該論理プロセッサベースのサブシステムは、誤った設定パラメータ又はパラメータの組み合わせに基づく、知的エージェントが使用可能な結果を更に有する、
論理プロセッサベースのサブシステム、
前記少なくとも一つの仮想溶接継手の溶接ピクセルマップ表面上に複数の液体粒子を流す、仮想動的流体粒子エミッタ、
前記インタラクティブな溶接環境を視覚的に描写するために前記論理プロセッサベースのサブシステムに動作可能に接続された表示手段であり、当該表示手段は前記仮想パイプの部分を描写し、さらに、当該表示手段は、前記溶接パドルを含む液体粒子を表示することによって、及び色を熱と関連付けることにより熱の大きさを表示することによって、前記溶接パドルの流動性及び熱放散特性を実時間で描写し、
前記サブシステムは、情報の複数のチャンネルを有し、少なくとも一つのチャンネルは、特定の場所における任意の液化粒子に関する変位値を格納し、少なくとも一つの他のチャンネルは、前記特定の場所における熱の大きさを格納し、且つ、少なくとも一つの追加的なチャンネルは、最初のベース金属に加えて、熱の前記大きさが放出された前記液体粒子の冷却閾値より下に落ちるときに前記特定の場所において凝固した液化粒子に関する前記変位値の総計を表す、
表示手段、及び
設定及び実時間での前記少なくとも一つの仮想溶接継手に対する仮想溶接動作を行うための、ペンダント型又は携帯型の入力装置であり、前記入力装置は、仮想現実溶接のための入力選択用の制御装置をエミュレートする、入力装置、
を有する、シミュレータ。
【請求項１６】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、使用者によって入力されているべき適切な設定パラメータ又はパラメータの組み合わせを特定するための、知的エージェントが使用可能な入力を更に有する、
請求項１５に記載のシミュレータ。
【請求項１７】
設定パラメータ又はパラメータの組み合わせの視覚的、聴覚的又は物理的なインジケータを更に有する、請求項１６に記載のシミュレータ。
【請求項１８】
オービタル溶接の経路を追跡するための、カメラベースのシステムを更に有する、請求項１５に記載のシミュレータ。
【請求項１９】
ファジー論理制御部ベースのシステムに基づく経路追従及び経路決定システムを更に有する、請求項１８に記載のシミュレータ。
【請求項２０】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、使用者のための複数のレベルを更に有し、各レベルは、前記使用者の技能レベル、学習ペース及び学習スタイルに適する、請求項１５に記載のシミュレータ。
【請求項２１】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、問題を発見、修正及び修復する使用者の能力を試験するために、人工知能に基づく障害指導を更に有する、請求項１５に記載のシミュレータ。
【請求項２２】
前記論理プロセッサベースのサブシステムは、機器設定及び材料の欠陥に関する安全でない状況のシミュレーションを更に有する、請求項２１に記載のシミュレータ。
【請求項２３】
多言語機能を有する、請求項１５に記載のシミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本特許出願は、２００９年７月１０日に出願された米国特許出願第１２／５０１，２６３号の部分継続出願である。当該米国特許出願は、参照により本明細書に取り込まれ、２００８年８月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／０９０，７９４号への優先権を主張する。当該米国仮特許出願は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
【０００２】
本発明は、仮想溶接環境をエミュレートするためのシステムに関し、より具体的には、実時間でパイプ及びオープンルート継手の溶接をエミュレートする仮想溶接環境及びその設定に関する。
【背景技術】
【０００３】
数十年の間、複数の会社が溶接技術を教えてきた。慣例上、溶接は、現実世界の周囲の状況で教えられてきた。すなわち、溶接は、金属片に対して電極を使って実際にアークを生じさせることによって教えられてきた。その分野の技術に精通している指導者達は、訓練生（トレイニー）が溶接を行うときにトレーニングプロセスを監督し、場合によって修正を行う。指導及び反復によって、新しい訓練生はどのようにして一つ又はそれ以上のプロセスを使用して溶接をするかを学習する。しかし、実行される溶接毎に費用がかかり、それは教授される溶接プロセスに依存して変わる。
【０００４】
より最近では、溶接工をトレーニングするための費用節約システムが利用されてきた。いくつかのシステムは、運動分析装置（モーションアナライザ）を組み入れる。分析装置は、溶接部（weldment）の物理モデル、模擬（mock）電極及び模擬電極の動きを追跡する感知手段を含む。レポートが生成され、そのレポートは、どの程度電極先端が受け入れ可能な運動の範囲の外側を移動したかを示す。より進んだシステムは仮想現実の使用を組み入れ、それは仮想の周囲の状況での模擬電極の操作をシミュレートする。同様に、これらのシステムは、位置及び向き（orientation）を追跡する。このようなシステムは、筋肉の記憶（muscle  memory）のみを教えるが、熟練した溶接工に要求されるより進んだ溶接技術を教えることができない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一つの実施形態は、仮想溶接動作（activity）を容易にするためのシミュレータに関し、以下の要素を含むが、それらに限定されない：少なくとも一つの仮想溶接継手を有する仮想パイプの部分（section）に対する溶接設定及び動作をエミュレートする、インタラクティブなオービタル溶接環境を生成するためのコード化された指令を実行するために使用可能な（operable）論理プロセッサベースのサブシステム；インタラクティブな溶接環境を視覚的に描写するために論理プロセッサベースのサブシステムに動作可能に接続された表示手段であり、表示手段は仮想パイプの部分を描写する、表示手段；設定及び実時間での少なくとも一つの仮想溶接継手に対する仮想溶接動作を行うための、ペンダント型（pendant）又は携帯型（hand-held）の入力装置；及び入力装置の動きを論理プロセッサベースのサブシステムに通信するために、実時間で（in  real  time）入力装置の動き関するデータを追跡するように構成された、一つ又はそれ以上のセンサ。入力装置は、仮想現実溶接のための入力選択用の制御装置をエミュレートすることができる。論理プロセッサベースのサブシステムは、学習対象を拡張するために、使用者に基づく、制御装置又は相互作用の制限を更に含んでもよい。論理プロセッサベースのサブシステムは、使用者がオービタル溶接環境を適切に設定できること又はエラー修復を達成できることを確かにするために、視覚的、聴覚的、物理的な変化に基づく、教示する相互作用又は反応を任意的に含んでもよい。論理プロセッサベースのサブシステムは、入力を可能にし、入力された値に基づいて出力を提供する仮想計算機又は表をしばしば含み得る。論理プロセッサベースのサブシステムはまた、誤った設定パラメータ又はパラメータの組み合わせに基づく、知的エージェントが使用可能な結果を含んでもよい。論理プロセッサベースのサブシステムはまた、使用者によって入力されているべき適切な設定パラメータ又はパラメータの組み合わせを特定するための、知的エージェントが使用可能な入力を含んでもよい。シミュレータはまた、設定パラメータ又はパラメータの組み合わせの視覚的、聴覚的又は物理的なインジケータを含んでもよい。オービタル溶接の経路を追跡するために、シミュレートされたカメラベースのシステムが任意的に追加されてもよい。カメラシステムは、ファジー論理制御部ベースのシステムに基づく経路追従及び経路決定システムを含んでもよい。シミュレータの論理プロセッサベースのサブシステムは、使用者のための複数のレベルを含んでもよく、各レベルは、使用者の技能レベル、学習ペース及び学習スタイルに適する。また、シミュレータの論理プロセッサベースのサブシステムは、問題を発見、修正及び修復する使用者の能力を試験するために、人工知能に基づく障害指導（fault  instruction）を含んでもよい。多言語機能もまた、本発明の任意的な側面である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、シミュレータを使用して仮想溶接動作に取り組む最終使用者である操作者の斜視図である。
【図２】図２は、シミュレータの正面図である。
【図３ａ】図３ａは、パイプ溶接姿勢を示す図表である。
【図３ｂ】図３ｂは、プレート溶接姿勢を示す図表である。
【図４】図４は、シミュレータの説明の、一つの例示的な概略ブロック図である。
【図５】図５は、模擬溶接ツールの側方透視図である。
【図６】図６は、溶接ユーザーインターフェースの拡大図である。
【図６ａ】図６ａは、観察者表示装置の拡大図である。
【図７ａ】図７ａは、個人用の表示装置の斜視図である。
【図７ｂ】図７ｂは、最終使用者によって身に付けられた個人用の表示装置の斜視図である。
【図７ｃ】図７ｃは、溶接ヘルメットにはめ込まれた個人用の表示装置の斜視図である。
【図８】図８は、空間トラッカの斜視図である。
【図９】図９は、溶接クーポンを保持するためのスタンドの斜視図である。
【図９ａ】図９ａは、パイプ溶接クーポンの斜視図である。
【図９ｂ】図９ｂは、スタンドに取り付けられたパイプ溶接クーポンの斜視図である。
【図１０】図１０は、論理プロセッサベースのサブシステムのサブシステムブロック図の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１１】図１１は、論理プロセッサベースのサブシステムのグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）のブロック図の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１２】図１２は、シミュレータの機能ブロック図の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１３】図１３は、仮想現実トレーニングシステムを使用するトレーニング方法の一つの実施形態のフローチャートである。
【図１４ａ−ｂ】図１４ａ−ｂは、溶接ピクセル（ｗｅｘｅｌ）変位マップの概念を示す。
【図１５】図１５は、シミュレータでシミュレートされる平らな溶接クーポンのクーポン空間及び溶接空間の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１６】図１６は、シミュレータでシミュレートされる角部溶接クーポンのクーポン空間及び溶接空間の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１７】図１７は、シミュレータでシミュレートされるパイプ溶接クーポンのクーポン空間及び溶接空間の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１８】図１８は、パイプ溶接クーポンの一つの例示的な実施形態を示す。
【図１９ａ−ｃ】図１９ａ−ｃは、シミュレータの二重変位パドルモデルの概念の一つの例示的な実施形態を示す。
【図２０】図２０は、オービタル溶接環境において使用されるような、オービタル溶接システムの一つの例示的な実施形態を示す。
【図２１】図２１は、図２０のオービタル溶接システムと共に使用するための、溶接トラクターを示す。
【図２２】図２２は、図２０のオービタル溶接システムの電源及び制御部を示す。
【図２３】図２３は、図２０のオービタル溶接システムと共に使用するための、ペンダントを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
これから、図面を参照するが、それらが示すものは本発明の複数の実施形態を例示する目的のみのためであり、本発明の複数の実施形態を限定する目的のためではない。図１及び図２は、概して１０で描写され、本明細書においてシミュレータ１０又はシステム１０と称される、溶接をシミュレートするためのシステムを示す。シミュレータ１０は、仮想環境１５を生成することができる。仮想環境１５は、現実世界のものと類似する溶接の周囲の状況を描写することができ、仮想現実アーク溶接（ＶＲＡＷ）としても知られ得る。仮想環境１５内で、シミュレータ１０は、一人又はそれ以上の（複数の）最終使用者１２との相互作用（interaction）を容易にする（facilitates）。入力装置１５５が含まれ、最終使用者１２が現実世界での動作に取り組むことを可能にする。その現実世界での動作は、シミュレータ１０によって追跡され、仮想の動作に変換される。このように、仮想環境１５は、インタラクティブな仮想溶接環境１５を包含する。表示装置２００が含まれ、仮想環境１５及び最終使用者１２の動作への視覚的なアクセスを提供する。一つの実施形態において、シミュレータ１０は、複数の最終使用者１２によって見られることができる、表示画面１５０を含んでもよい。加えて、シミュレータ１０は、単一の最終使用者１２による使用に適した個人用のディスプレイ１４０を含んでもよい。その単一の最終使用者１２は、訓練生である使用者１２ａ又は指導者である使用者１２ｂであり得る。現実世界での最終使用者１２は動作は、仮想溶接動作に変換され、実時間で一つ又はそれ以上のディスプレイ１４０，１５０上で見られることが、ここで明確に留意される。本明細書において使用される場合、用語“実時間（real-time）”は、最終使用者１２が現実世界の周囲の状況において、遅れず（in  time）、認識及び経験するのと同じように、仮想環境において遅れずに認識すること及び経験することを意味する。
【０００８】
インタラクティブな仮想溶接環境１５の生成において、シミュレータ１０は、異なる姿勢の複数の溶接継手に関する一つ又はそれ以上の溶接プロセスをエミュレートし、複数の継手構成のための異なる種類の電極の効果を追加的にエミュレートする。一つの特定の実施形態において、シミュレータ１０は、パイプ溶接及び／又はオープンルート継手の溶接をエミュレートするインタラクティブな仮想溶接環境１５を生成する。システムは、仮想現実空間で、実時間の溶融金属の流動性及び熱放散特性を有する溶接パドルをシミュレートすることができる。シミュレータ１０はまた、どのように仮想溶接動作が溶接継手、例えば下にあるベース材料に影響するかをモデル化することもできる。例示的に、シミュレータ１０は、それぞれが現実世界のシナリオに相当する特性を有する、ルートパス及びホットパスを溶接すること、そしてまた、続くフィラー及びキャップパスを溶接することをエミュレートしてもよい。それぞれの続くパスは、前のパスの間に行われるベース材料の変更の結果として、及び／又は、異なる選択をされた電極の結果として、前のパスのそれとはかなり異なるパスを溶接し得る。パドルモデル化の実時間フィードバックは、最終使用者１２がディスプレイ２００上で仮想溶接プロセスを観察し、仮想溶接が行われているときに、彼／彼女の手技を調節又は維持することを可能にする。観察される仮想インジケータの例は、いくつかの例を挙げると、溶接パドルの流れ、溶融パドルの揺らめき、パドル凝固中の色の変化、パドルの硬化速度、熱放散の色勾配、音、ビード形成、ウィーブパターン、スラグの形成、アンダーカット、ポロシティ、スパッタ、スラグ巻込、オーバーフィル、溶落ち及び閉鎖を含み得る。パドル特性は、最終使用者１２による入力装置１５５の動きに依存すること、すなわち、反応する（responsive）ことが理解されるべきである。このように、表示される溶接パドルは、選択される溶接プロセス及び最終使用者１２の溶接手技に基づいて実時間で形成される、現実世界の溶接パドルの代表である。さらに、「ワゴントラック（wagon  track）」は、ＳＭＡＷプロセスを使用するパイプ溶接中に作られるルートパスの先端の後に残される溶接欠陥及びスラグの目に見える痕跡である。ホットパスと呼ばれる、パイプ溶接における第二のパスは、それらが最終的な溶接部では除去されるように、ワゴントラックを再び溶かすために十分に熱くなければならない。また、ワゴントラックは、研磨プロセスによって取り除かれてもよい。このようなワゴントラック及びワゴントラックの除去は、本発明の一つの実施形態に従い、本明細書において記述されるシミュレータ１０で適切にシミュレートされる。
【０００９】
続けて図１及び図２を参照しつつ、これから図３ａ及び図３ｂを参照すると、シミュレータ１０は、様々な溶接姿勢における溶接プロセスをエミュレートしてもよく、どのように溶接パドルがそれぞれの姿勢において反応するかをモデル化する。より具体的に、シミュレータ１０は、当分野において５Ｇ姿勢、２Ｇ姿勢及び６Ｇ姿勢とそれぞれ呼ばれる、垂直な姿勢、水平な姿勢及び／又は斜めの姿勢におけるパイプ溶接をエミュレートしてもよい。加えて、シミュレータ１０は、パイプの回転する水平位置に関係する１Ｇ位置における溶接、又は突き当たるプレートにおける開先溶接（groove  weld）に関連し得るように、頭上の溶接に関係する４Ｇ位置における溶接をエミュレートしてもよい。他の溶接姿勢は、平らなプレートのための様々な構成のためのオープンルート継手の溶接に関係し得る。シミュレータ１０は、続く段落において詳細に記述されるモデル化エンジン及び分析エンジンを含め、溶接パドルに対する重力の影響を考慮に入れることが、理解されるべきである。それに応じて、溶接パドルは、例えば、５Ｇ姿勢でのパイプの溶接については、６Ｇ姿勢のそれとは異なる反応をする。上記の例は、限定的なものとして解釈されるべきでなく、例示の目的のために含まれる。当業者は、任意の溶接継手、溶接姿勢又は異なる種類のベース部材を含む溶接部の種類へのその応用を容易に理解するであろう。
【００１０】
これから図２及び図４を参照すると、シミュレータ１０は、論理プロセッサベースのサブシステム１１０を含む。論理プロセッサベースのサブシステム１１０は、プログラム可能であってもよく、インタラクティブな仮想溶接環境１５を生成するためのコード化された指令を実行するために使用可能であってもよい。シミュレータ１０はセンサ及び／又はセンサシステムを更に含んでもよく、それらは、論理プロセッサベースのサブシステム１１０に任意的に接続された、空間トラッカ１２０から構成されてもよい。シミュレータ１０はまた、シミュレータ１０の設定及び制御のために論理プロセッサベースのサブシステム１１０と通信している、溶接ユーザーインターフェース１３０を含む。上で参照されるように、（複数の）表示装置２００が含まれ、表示装置２００は、論理プロセッサベースのサブシステム１１０にそれぞれ接続され、インタラクティブな仮想溶接環境１５への視覚的なアクセスを提供する、フェースマウント表示装置１４０及び観察者表示装置１５０を包含し得る。一つ又はそれ以上の表示装置２００は、後述されるように、その位置及び／又は動きに応じて装置上で見られる画像を変化させるために、空間トラッカ１２０に接続されてもよい。
【００１１】
入力装置
これから図５を参照すると、上述されたように、シミュレータ１０は、最終使用者１２との相互作用を容易にする入力装置１５５を含む。一つの実施形態において、入力装置１５５は、模擬溶接ツール１６０を有する。模擬溶接ツール１６０は、例えば、手動溶接電極ホルダ又は電極への連続的な送給を提供する溶接銃、すなわちＩＧ、ＦＣＡＷ又はＧＴＡＷ溶接ツールのような、現実世界のツールに類似するように形づくられてもよい。そのうえ、模擬溶接ツール１６０の他の構成が、本発明の複数の実施形態の対象の意図される範囲から逸脱することなく、実施され得る。説明の目的のため、本発明の複数の実施形態は、手動溶接電極ホルダ１５６に類似する模擬溶接ツール１６０の使用の文脈で記述されることがある。模擬溶接ツール１６０は、現実世界の溶接ツールに精密に類似してもよい。一つの特定の実施形態において、模擬溶接ツール１６０は、現実世界の溶接ツールと同じ形状、重量及び感触を有してもよい。実際のところ、シミュレータ１０では現実の溶接ツールは現実のアークを実際に作り出すために使用されないのだが、使用者の手の中でツールの実際の感覚を提供するために、現実の溶接ツールが模擬溶接ツール１６０として使用され得る。このように、訓練生使用者１２ａであり得る最終使用者１２は、現実世界の溶接ツールを扱うことに慣れ、それにより仮想溶接経験を拡張する。しかし、模擬溶接ツール１６０は、健全な判断（sound  judgment）で選択される如何なる方法で構築されてもよい。
【００１２】
例示的に、模擬溶接ツール１６０は、パイプ溶接のための棒溶接ツールを模し（シミュレートし）、ホルダ１６１及びホルダ１６１から延びる模擬的に作成（シミュレート）された棒電極１６２を含む。シミュレートされた棒電極１６２は、現実世界の周囲の状況内での溶接中に生じる抵抗フィードバックをシミュレートするために、触覚抵抗先端部１６３を含んでもよい。最終使用者１２がシミュレートされた棒電極１６２をルートからあまりに離れて後方に動かすと（以下で詳細に記述されるように）、最終使用者１２は、低い抵抗を感じる又は感知することができ、したがって、現在の溶接プロセスを調整する又は維持するために使用されるフィードバックを得る。棒溶接ツールが、仮想溶接プロセス中、シミュレートされた棒電極１６２を引っ込める、図示されないアクチュエータを組み込んでもよいことが企図されている。すなわち、最終使用者１２が仮想溶接動作に従事するとき、ホルダ１６１とシミュレートされた棒電極１６２の先端部との間の距離は、電極の消費をシミュレートするために減少する。消費速度、すなわち棒電極１６２の引っ込みは、論理プロセッサベースのサブシステム１１０によって、より具体的には、論理プロセッサベースのサブシステム１１０によって実行されるコード化された指令によって制御され得る。シミュレートされた消費速度はまた、最終使用者１２の手技にも依存する。シミュレータ１０は異なる種類の電極を用いた仮想溶接を容易にするので、棒電極１６２の消費速度又は減少は、シミュレータ１０で使用される溶接手順及び／又はシミュレータ１０の設定で変化し得ることが、ここでは特筆すべきである。
【００１３】
模擬溶接ツール１６０のアクチュエータは、電気的に駆動されてもよい。アクチュエータを作動させるための動力は、シミュレータ１０から、外部の電源から又は内部のバッテリ電源から由来し得る。一つの実施形態において、アクチュエータは、例えば電動モータのような電動装置であってもよい。そのうえ、電磁アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、機械的又はバネ荷重アクチュエータ、それらの任意の組み合わせを含むが、それらに限定されない、如何なるアクチュエータの種類又は原動力の形式が使用され得る。
【００１４】
上で示されたように、模擬溶接ツール１６０は、シミュレータ１０と相互作用するために空間トラッカと共に働いてもよい。具体的には、模擬溶接ツール１６０の位置及び／又は向きは、実時間で空間トラッカ１２０によって監視及び追跡され得る。したがって、位置及び向きを代表するデータは、論理プロセッサベースのサブシステム１１０に伝達され、仮想溶接環境１５との相互作用のために必要に応じて使用されるために修正又は転換される。
【００１５】
空間トラッカ
図８を参照して、空間トラッカ１２０の一つの実施例が示される。空間トラッカ１２０は、論理プロセッサベースのサブシステム１１０とインターフェース接続をしてもよい。一つの実施形態において、空間トラッカ１２０は、磁気によって模擬溶接ツール１６０を追跡してもよい。すなわち、空間トラッカは磁気エンベロープを生成し、その磁気エンベロープは、位置及び向き、そしてまた速度及び／又は速度の変化を決定するために使用される。それに応じて、空間トラッカ１２０は、磁気源１２１及びソースケーブル、一つ又はそれ以上のセンサ１２２、ディスク１２３のホストソフトウェア、電源１２４、ＵＳＢ及びＲＳ−２３２ケーブル１２５、プロセッサトラッキングユニット１２６及び他の付随するケーブルを含む。磁気源１２１は、ケーブルを介してプロセッサトラッキングユニット１２６に動作可能に接続されることができる。センサ１２２も同様に接続されることができる。電源１２４もまた、ケーブルを介してプロセッサトラッキングユニット１２６に動作可能に接続されることができる。プロセッサトラッキングユニット１２６は、ＵＳＢ及びＲＳ−２３２ケーブル１２５を介して論理プロセッサベースのサブシステム１１０に動作可能に接続されることができる。ディスク１２３のホストソフトウェアは、論理プロセッサベースのサブシステム１１０にロードされることができ、空間トラッカ１２０と論理プロセッサベースのサブシステム１１０との間の機能的な通信を可能にする。
【００１６】
磁気源１２１は、磁気源１２１を取り囲む磁界又はエンベロープを作り出し、三次元空間を規定する。その空間内で、最終使用者１２の動作はシミュレータ１０との相互作用のために追跡され得る。エンベロープは、空間基準座標系を確立する。エンベロープ内で使用される対象物、例えば、模擬溶接ツール１６０及びクーポンスタンド（後述される）は、磁気源１２１によって作られた磁界を歪ませないように、非金属材料、すなわち非鉄金属及び非導電性の材料、で構成されてもよい。センサ１２２は、交差する空間方向に整列された複数の誘導コイルを含んでもよく、それらは実質的に直交して整列されてもよい。誘導コイルは、３方向それぞれの磁界の強さを測定し、プロセッサトラッキングユニット１２６にその情報を提供する。一つの実施形態において、センサ１２２は、模擬溶接ツール１６０に取り付けられてもよく、模擬溶接ツール１６０が位置及び向きの両方を空間基準座標系に対して追跡されることを可能にする。より具体的には、誘導コイルは、電極１６２の先端に取り付けられてもよい。このようにして、シミュレータ１０は、三次元のエンベロープ内のどこに模擬溶接ツール１６０が位置するかを決定することができる。追加的なセンサ１２２は、提供され、一つ又はそれ以上の表示装置に動作可能に取り付けられてもよい。それに応じて、シミュレータ１０は、センサデータを使用して、最終使用者１２の動きに応じて最終使用者１２によって見られる視界を変化させてもよい。そのように、シミュレータ１０は、仮想溶接環境１５に変換するために、現実世界における最終使用者１２の動作を保存及び追跡する。
【００１７】
本発明の一つの代替的な実施形態によれば、（複数の）センサ１２２はプロセッサトラッキングユニット１２６と無線でインターフェース接続することができ、プロセッサトラッキングユニット１２６は論理プロセッサベースのサブシステム１１０と無線でインターフェース接続することができる。本発明の他の代替的な実施形態によれば、例えば、加速度計／ジャイロスコープベースのトラッカ、光学トラッカ、赤外線式トラッカ、音響式トラッカ、レーザトラッカ、高周波トラッカ、慣性トラッカ、アクティブ又はパッシブの光学トラッカ、並びに拡張現実ベースのトラッキングを含む、他の種類の空間トラッカ１２０がシミュレータ１０で使用され得る。他の種類のトラッカも同様に可能であり得る。なお、他の種類のトラッカは、本発明の複数の実施形態の対象の意図される範囲から逸脱することなく、使用され得る。
【００１８】
表示装置
これから図７ａを参照すると、フェースマウント表示装置１４０の一つの実施例がこれから記述される。フェースマウント表示装置１４０は、図７ｃに示されるように溶接ヘルメット９００に組み込まれてもよく、又は代替的に、図７ｂに示されるように別々に装着されてもよい。フェースマウント表示装置１４０は、２Ｄ及び面順次映像モードで流れるようなフルモーションの映像を届けることができる二つのハイコントラストＳＶＧＡの３ＤのＯＬＥＤマイクロディスプレイを含み得る。仮想溶接環境１５からの仮想の画像、例えば映像は、フェースマウント表示装置１４０に提供されるとともに表示される。本発明の一つの実施形態において、論理プロセッサベースのサブシステム１１０は、フェースマウント表示装置１４０に立体映像を提供し、使用者の奥行感覚を拡張する。立体画像は論理処理ユニットによって作られてもよく、論理処理ユニットは以下で詳細に記述されるグラフィック処理ユニットであってもよい。また、ズーム（例えば２倍）モードが提供され、使用者が、チータープレート（cheater  plate）をシミュレートすることを可能にしてもよい。フェースマウント表示装置１４０は、有線又は無線手段を介して論理プロセッサベースのサブシステム１１０及び空間トラッカ１２０に動作可能に接続し得る。空間トラッカ１２０のセンサ１２２は、フェースマウント表示装置１４０又は溶接ヘルメット９００に取り付けられることができ、それにより、フェースマウント表示装置１４０が空間トラッカ１２０によって作られた３Ｄ空間基準座標系に対して追跡されることを可能にする。このように、溶接ヘルメット９００の動きは、敏感に反応して、三次元仮想現実の周囲の状況において最終使用者１２によって見られる画像を変更する。
【００１９】
フェースマウント表示装置１４０はまた、後に記述されるように、観察者表示装置１５０のそれと同様のメニュー項目を呼び出すとともに表示するように機能し得る。このようにして、最終使用者は、メニューからオプションを起動及び選択するために、従って、模擬溶接ツール１６０上の制御装置（例えば、ボタン又はスイッチ）を使用することができる。これは、例えば、使用者が間違えた場合、幾つかのパラメータを変化させる場合、又は溶接ビード軌跡の一部をやり直すために少し後退する場合に、使用者が容易に溶接をリセットすることを可能にし得る。
【００２０】
フェースマウント表示装置１４０は、スピーカ９１０を更に含んでもよく、使用者がシミュレータ１０によって作られたシミュレートされた溶接に関連する及び環境の音を聞くことを可能にする。音声コンテンツ機能及び溶接音は、幾つかの溶接パラメータが許容限度内であるか許容限度外であるかに依存して変化する特定の種類の溶接音を提供する。音は、様々な溶接プロセス及びパラメータに合わせられる。例えば、ＭＩＧスプレーアーク溶接プロセスでは、使用者が模擬溶接ツール１６０を正しく配置しないとき、パチパチという音（crackling  sound）が提供され、模擬溶接ツール１６０を正しく配置されるとき、シューという音（hissing  sound）が提供される。ショートアーク溶接プロセスでは、アンダーカットが発生しているときにシューという音が提供される。これらの音は、正しい及び正しくない溶接手技に対応する現実世界の音を模倣している。
【００２１】
高い忠実さの音声コンテンツが、様々な電子的及び機械的手段を使用して実際の溶接の現実世界の録音から取り込まれ得る。音の知覚された音量及び方向は、模擬溶接ツール１６０と溶接クーポン１７５との間のシミュレートされたアークに対する最終使用者の頭、すなわちフェースマウント表示装置１４０の位置、向き、及び距離に依存して修正される。音は、スピーカ９１０を介して使用者に提供され得る。スピーカ９１０は、イヤホンスピーカ又は如何なる他の種類のスピーカ若しくは音声発生装置であってもよく、フェースマウント表示装置１４０に取り付けられるか又は代替的にコンソール１３５又はスタンド１７０に取り付けられてもよい。そのうえ、仮想溶接動作に取り組んでいる間に最終使用者１２に音声を届ける如何なる方法であっても選択され得る。ここで、他の種類の情報がスピーカ９１０を通じて伝えられ得ることも、留意される。例は、実時間又は前もって録音されたメッセージをかいするかのいずれかの、指導者である使用者１２ｂからの言葉による指導を含む。前もって録音されたメッセージは、特定の仮想溶接動作がきっかけとなって自動的に再生されてもよい。実時間の指導は、その場で又は遠隔地から生成され得る。そのうえ、如何なる種類のメッセージ又は指導であっても、最終使用者１２に伝えられ得る。
【００２２】
コンソール
これから図２、図６及び図７を参照すると、シミュレータ１０は、シミュレータ１０の一つ又はそれ以上の構成要素を収容する、コンソール１３５を含んでもよい。一つの実施形態において、コンソール１３５は、溶接電源に類似するように構築されてもよい。すなわち、コンソール１３５の形状及びサイズは、現実世界の装置のそれに一致してもよい。シミュレータ１０の操作は、溶接ユニットインターフェース１３０によって容易にされてもよく。その溶接ユニットインターフェース１３０は、溶接電源のノブ、ダイヤル及び／又はスイッチ１３３，１３４に類似するように形づくられてもよい。シミュレータ１０はディスプレイを更に含んでもよく、それは表示装置２００であってもよい。シミュレータ１０にインストールされたコード化された指令、すなわちソフトウェアは、指導及び／又はメニューオプションを表示画面２００上に表示することによって、最終使用者１２のシミュレータ１０との相互作用を導いてもよい。シミュレータ１０との相互作用は、管理動作又はシミュレーションの設定及び起動に関係する機能を含んでもよい。これは、特定の溶接プロセス及び電極のタイプの選択、並びに溶接姿勢を含む部分の設定を含んでもよい。溶接ユニットインターフェース１３０を使用して行われる選択は、表示装置２００上に反映される。
【００２３】
図６は、コンソール１３５及び溶接ユーザーインターフェース１３０の一つの例示的な実施形態を示す。溶接ユニットインターフェース１３０は、シミュレータ１０の設定及び操作の間に使用される使用者選択部１５３に対応する一連のボタン１３１を含んでもよい。ボタン１３１は、表示装置２００に表示された使用者選択部１５３の色に対応するように色を付けられてもよい。ボタン１３１の一つが押されたとき、信号が対応する機能を作動させるために論理プロセッサベースのサブシステム１１０に送られる。溶接ユニットインターフェース１３０はまた、様々なパラメータ及び表示装置２００に表示された選択肢を選択するために使用者によって使用されることができるジョイスティック１３２を含んでもよい。溶接ユニットインターフェース１３０は、一つの例示的な方法において、ワイヤ送給速度／アンペアを調整するために使用され得るダイヤル又はノブ１３３、及びボルト／トリムを調整するためのもう一つのダイヤル又はノブ１３４を更に含む。溶接ユニットインターフェース１３０はまた、アーク溶接プロセスを選択するためのダイヤル又はノブ１３６を含む。本発明の一つの実施形態によれば、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）、被覆金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）を含む３つのアーク溶接プロセスが選択可能である。溶接ユニットインターフェース１３０は、溶接極性（polarity）を選択するためのダイヤル又はノブ１３７を更に含む。本発明の一つの実施形態によれば、交流（ＡＣ）、正の直流（ＤＣ＋）、及び負の直流（ＤＣ−）を含む３つのアーク溶接極性が選択可能である。なお、ＴＩＧ溶接を含むがこれに限られない、他の溶接プロセス及び設定特徴が、本発明の複数の実施形態の対象の意図される範囲から逸脱することなく、組み込まれ得る。以上から、シミュレータ１０の設定は、現実世界の装置の設定に相当する（parallels）ことが容易に理解されるであろう。
【００２４】
グラフィカルユーザーインターフェース機能１２１３（図１２参照）は、観察者表示装置１５０を通じて見ることができ、物理的ユーザーインターフェース１３０のジョイスティック１３２を使用する使用者が溶接シナリオを設定することを可能にする。溶接シナリオの設定は、言語の選択、最終使用者名の入力、練習プレート（例えば、溶接クーポン、Ｔ−プレート、平らなプレート）の選択、溶接プロセス（例えば、ＦＣＡＷ、ＧＭＡＷ、ＳＭＡＷ、ＴＩＧ）及び付随する軸方向スプレー、パルス、又は移行のショートアークモードの選択、ガスの種類及び流量の選択、棒電極の種類（例えばＥ６０１０又はＥ７０１８）の選択並びにフラックスコアードワイヤの種類（例えばセルフシールド、ガスシールド）の選択を含み得る。溶接シナリオの設定はまた、以下で詳細に説明される、クーポンスタンド１７０の高さを含み得る。溶接シナリオの設定は、環境（例えば、仮想現実空間のバックグラウンド環境）の選択、ワイヤ送給速度の設定、電圧レベルの設定、極性の選択、及び特定の視覚的キューをオン又はオフにすることを更に含む。ここで一つの実施形態において、制限がシミュレータ１０に組み込まれてもよいことが、留意される。その制限は、選択されたプロセスに関する適当な設定が適切に入力されるまで所与の溶接シナリオの作動が起こらないようにする、ソフトウェア制限であってもよい。このように、訓練生である使用者１２ａは、仮想溶接シナリオを設定することによって、現実世界の溶接設定の適切な範囲を教わるか又は学習する。
【００２５】
それに応じて、表示装置２００は、メニュー、動作、視覚的キュー、新しいクーポン設定及び採点を含む、最終使用者選択部１５３に対応する動作を反映する。これらの使用者選択部は、コンソール１３５の使用者ボタンに結び付けられ得る。使用者が表示装置２００を介して様々な選択を行うとき、表示された特徴は、選択された情報及び他のオプションを使用者に提供するために変化し得る。しかし、観察者表示装置１５０であり得る表示装置２００は、他の機能を有してもよい。その機能は、シミュレータ１０の操作中に、すなわち、仮想溶接動作に取り組んでいる間に、最終使用者１２によって見られる仮想画像を表示することである。表示装置２００は、最終使用者１２によって見られるのと同じ画像を見るように設定されてもよい。代替的に、表示装置２００はまた、仮想溶接動作の異なる視界又は異なる視点を  表示するために使用されてもよい。
【００２６】
一つの実施形態において、表示装置１５０，２００は、図１０に示されるデータ記憶装置３００に電子的に保存された仮想溶接動作を再生するために使用されてもよい。最終使用者１２の仮想溶接動作を代表するデータは、再生及び復習のために保存されてもよく、記録保管の目的のためにダウンロードされてもよく、及び／又は、実時間で見ること及び批評することのために遠隔地に送信されてもよい。仮想溶接動作の再生において、溶接パドルの流動性、移動速度、並びに、例えば不適切なすみ肉サイズ、不十分なビード配置、凹ビード、余盛、アンダーカット、ポロシティ、融合不良、スラグ巻込、過剰なスパッタ及び溶落ちを含む不連続性の状態１５２のような詳細は、提示され得る。許容角度から外れた角度の結果である、アンダーカットもまた表示され得る。さらに、アークを溶接部から遠く動かし過ぎることによって引き起こされるポロシティが表示されてもよい。このように、シミュレータ１０は、特定の仮想溶接動作の部分又は全部を再生し、最終使用者の動作に直接的に関係する閉鎖及び欠陥を含む仮想溶接シナリオの全ての側面をモデル化することができる。
【００２７】
図６ａを参照すると、シミュレータ１０はまた、仮想溶接動作の結果を分析し、表示することができる。結果を分析することによって、シミュレータ１０が、溶接パス中にいつ及び溶接継手に沿ってどこで、最終使用者１２が溶接プロセスの許容可能な限度から外れたかを決定できることが示される。得点は最終使用者１２のパフォーマンスに起因し得る。一つの実施形態では、得点は、許容範囲を通る模擬溶接ツール１６０の位置、向き及び速度における偏差の関数であり得る。この許容範囲は、理想溶接の手の動き（パス）から限界又は許容できない溶接動作に広がり得る。範囲の任意の勾配が、最終使用者１２のパフォーマンスを採点するために選ばれるようなシミュレータ１０に組み込まれ得る。採点は数値的に又は英数字で表示され得る。加えて、最終使用者１２のパフォーマンスは、時間及び／又は溶接継手に沿った位置で、どれくらい近くで模擬溶接ツールが溶接継手を横切ったかを図式的に示して表示され得る。移動角度、ワーク角度、速度、溶接継手からの距離等のパラメータは、測定され得るものの例であるが、任意のパラメータが採点目的のために分析され得る。パラメータの許容範囲は、現実世界の溶接データから取られるので、どのように最終使用者が現実世界で実行するかに関する正確なフィードバックを提供する。他の実施形態では、最終使用者１２のパフォーマンスに対応する欠陥の分析もまた組み込まれ得るとともに表示装置１５０，２００に表示され得る。本実施形態では、どの種類の不連続部が仮想溶接動作中にモニタされた様々なパラメータの測定から生じたかを示すグラフが描かれ得る。閉鎖は表示装置２００で見ることができないが、欠陥は最終使用者１２のパフォーマンスの結果として依然として起こり得、この結果は対応して表示され、すなわち、グラフ化され得る。
【００２８】
表示装置２００はまた、最終使用者１２をトレーニングするためのチュートリアル情報を表示するために使用され得る。チュートリアル情報の例は指導を含んでもよく、それは映像又は写真によって描写されるように、図式的に表示されてもよい。加えて、指導は、書かれてもよく又は上述の聴覚的な形式で提示されてもよい。このような情報は、データ記憶装置３００に保存及び維持されてもよい。一つの実施形態において、シミュレータ１０は、本明細書において視覚的キューと呼ばれる、位置、先端からワークへの距離、溶接角度、移動角度、移動速度を含む、様々な溶接パラメータ１５１を示す仮想溶接シーンを表示することできる。
【００２９】
一つの実施形態において、遠隔通信は、類似して又は類似せずに構成された装置、すなわちシミュレータから働く、離れた場所の人物、すなわち遠隔使用者による、仮想的な指導を提供するために使用され得る。仮想溶接プロセスを描くことは、インターネット、ＬＡＮｓ及びデータ送信の他の手段を含むがこれらに限定されないネットワーク接続を介して達成され得る。特定の溶接（パフォーマンス変数を含む）を代表するデータは、仮想画像及び／又は溶接データを表示することができる他のシステムに送られてもよい。送信されるデータは、（複数の）遠隔使用者が溶接工のパフォーマンスを分析するために十分に詳細であることが留意されるべきである。遠隔システムに送られるデータは、仮想溶接環境を生成し、それにより一つの特定の溶接プロセスを再現する（recreating）ために使用されてもよい。なお、パフォーマンスデータ又は仮想溶接動作を他の装置に通信する如何なる方法であっても、本発明の複数の実施形態の対象の意図される範囲から逸脱することなく、実施され得る。
【００３０】
溶接クーポン
これから図１、図９ａ及び図９ｂを参照すると、シミュレータ１０は、並置されて溶接継手１７６を形成する複数のパイプ部分（section）に類似する溶接クーポン１７５を含み得る。溶接クーポン１７５は、仮想溶接動作に取り組んでいる間に最終使用者１２のためのガイドとして機能するシミュレータ１０と共に働いてもよい。複数の溶接クーポン１７５が、仮想溶接動作の所与のサイクルにおける使用のために使用、すなわち、交換されてもよい。溶接クーポンの種類は、単にいくつかの例を挙げれば、円筒形のパイプ部分、アーチ状のパイプ区分、平らなプレート及びＴ−プレート溶接継手を含み得る。一つの実施形態において、溶接クーポンのそれぞれは、オープンルート継手又は開先を組み込み得る。しかし、溶接継手の如何なる構成であっても、本発明の複数の実施形態の対象の意図される範囲から逸脱することなく、溶接クーポンに組み込まれ得る。
【００３１】
溶接クーポン１７５の寸法は様々であってもよい。円筒形のパイプについては、内径の範囲は、１と二分の一インチ（約３．８ｃｍ）（内径）から１８インチ（約４５．７ｃｍ）（内径）に広がり得る。一つの特定の実施形態において、内径の範囲は、１８インチを超えてもよい。一つの他の実施形態において、アーチ状のパイプ区分は、１と二分の一インチ（内径）から最大で１８インチ（内径）に広がる範囲及び１８インチ（内径）を超える範囲の特有の半径を有し得る。さらに、１と二分の一インチよりも小さい内径及び１８インチを超える内径の両方の、溶接クーポン１７５の如何なる内径であっても利用され得ると解釈されるべきである。実際的な感覚で、如何なるサイズの溶接クーポン１７５であっても、溶接クーポン１７５又は溶接クーポン１７５の一部分が空間トラッカ１２０によって生成されるエンベロープ内に適合する限り、使用されることができる。平らなプレートは、同様に最大で１８インチであってもよく、１８インチを超えてもよい。そのうえ、溶接クーポン１７５の寸法の上限は、空間トラッカ１２０によって生成される感知する場（sensing  field）のサイズ及び強さ及び溶接クーポン１７５のそれぞれの配置される能力によってのみ拘束されることが理解されるべきである。全てのこのような変形は、本発明の複数の実施形態の対象の意図される範囲に含まれるものとして解釈されるべきである。
【００３２】
上述されたように、溶接クーポン１７５は、空間トラッカ１２０を妨げない材料から構築されてもよい。空間トラッカは磁場を生成するため、溶接クーポン１７５は、非鉄及び非導電性の材料から構築されてもよい。しかし、空間トラッカ１２０又は他の選択されるセンサの種類と共に使用されることに適した、如何なる種類の材料であっても選択され得る。
【００３３】
図９ａ及び図９ｂを参照すると、溶接クーポン１７５は、テーブル又はスタンド１７０に適合するように構築されてもよく、テーブル又はスタンド１７０は、空間トラッカ１２０に対して一定に溶接クーポン１７５を（少なくとも部分的に）保持する。それに応じて、溶接クーポン１７５は、接続部１７７又は接続器１７７を含んでもよい。接続部１７７は、溶接クーポン１７５の一方側から延びてもよく、それは図示されるように底側であってもよい。また、接続部１７７は、スタンド１７０に含まれる機械的なインターロッキング装置に受容されてもよい。溶接クーポン１７５がスタンド１７０に挿入される向きは、仮想溶接環境１５内に作られる仮想溶接部、すなわちパイプを精密に一致させるために、一定である、すなわち、反復可能である必要があり得ることが、明確に理解されるであろう。この方法で、シミュレータ１０が溶接クーポン１７５の位置がどのように変更されたかに気付いている限り、仮想の対照物への調整もそれに応じてなされ得る。例えば、設定中に、最終使用者１２は溶接されるパイプのサイズを選択してもよい。最終使用者１２は、次いで適切な溶接クーポン１７５をスタンド１７０に挿入し、適切な位置に固定してもよい。続いて、最終使用者１２は、溶接使用者インターフェース１３０を介して選択を行い、所望の溶接姿勢を選んでもよい。後述されるように、スタンド１７０は、溶接クーポン１７５がシミュレータ１０によって認識される如何なる溶接姿勢となる位置にでも、その後傾けられ又は調整されてもよい。もちろん、溶接クーポン１７５の位置を調整することはまた、空間トラッカ１２０の位置を調整し、それによりセンサ追跡場の中での溶接クーポン１７５の相対的な位置を維持することが明確に理解されるであろう。
【００３４】
図９は、スタンド１７０の一つの実施形態を描写する。スタンド１７０は、調整可能なテーブル１７１、スタンドベース１７２、調整可能なアーム１７３及び垂直な支柱１７４を含み得る。テーブル１７１及びアーム１７３は、垂直な支柱１７４にそれぞれ取り付けられる。テーブル１７１及びアーム１７３はそれぞれ、垂直な支柱１７４の高さに沿って調整されることができる。その調整は、垂直な支柱１７４に対して上方に、下方に及び回転する動きを含み得る。アーム１７３は、ここで記述される方法と一貫した方法で溶接クーポンを保持するために使用される。テーブル１７１は、彼又は彼女が使用中に腕を置くこと可能にすることによって最終使用者１２を補助してもよい。一つの特定の実施形態において、垂直な支柱１７４は、使用者がアーム１７３及びテーブル１７１がどこに垂直に位置するかを正確に知ることができるように、位置情報でインデックスを付けられる。この情報は、溶接使用者インターフェース１３０及び表示装置１５０を使用して、設定中にシミュレータ１０に入力され得る。
【００３５】
本発明の一つの代替的な実施形態は、テーブル１７１及びアーム１７３の位置は、シミュレータ１０の設定中になされる選択に反応して自動的に調整されることを企図されている。本実施形態において、溶接使用者インターフェース１３０を介してなされる選択は、論理プロセッサベースのサブシステム１１０に伝えられ得る。スタンド１７０によって利用されるアクチュエータ及びフィードバックセンサは、アーム１７３及びテーブル１７１を物理的に動かすことなく溶接クーポン１７５を配置するために、論理プロセッサベースのサブシステム１１０によって制御され得る。一つの実施形態において、アクチュエータ及びフィードバックセンサは、電気的に駆動されるサーボモータであってもよい。しかし、確実な工学的判断で選択されるようにスタンド１７０の位置を自動的に調整するために、如何なる機関装置（locomotive  device）でも使用され得る。このように、溶接クーポン１７５の設定のプロセスは、自動化され、最終使用者１２による手動での調整を要求しない。
【００３６】
本発明の一つの他の実施形態は、本明細書において「スマート」クーポン１７５と称される、溶接クーポン１７５と共に使用される知的装置の使用を含む。本実施形態において、溶接クーポン１７５は、スタンド１７０によって感知され得るその特定の溶接クーポン１７５に関する情報を有する装置を含む。具体的には、アーム１７３は、溶接クーポン１７５上に位置する装置上又は中に保存されたデータを読み取る検出器を含み得る。例は、検出器の近くに運ばれた場合に無線で読み取られ得る、センサ、例えば小型電子装置上のコード化されたデジタルデータの使用を含み得る。他の例は、バーコードのような受動的な装置の使用を含み得る。なお、溶接クーポン１７５に関する情報を論理プロセッサベースのサブシステム１１０に知的に伝える如何なる方法であっても、確実な工学的判断で選択され得る。
【００３７】
溶接クーポン１７５上に保存されたデータは、シミュレータ１０に対し、スタンド１７０に挿入された溶接クーポン１７５の種類を自動的に示し得る。例えば、２インチ（約５．１ｃｍ）パイプクーポンは、その直径に関係する情報を含んでもよい。代替的に、平らなプレートクーポンは、クーポンに含まれる溶接継手の種類、例えば開先溶接継手又は突合せ溶接継手を示す情報、そしてまたその物理的寸法を示す情報を含んでもよい。このように、溶接クーポン１７５に関する情報は、溶接クーポン１７５の選択及び設置に関係するシミュレータ１０の設定のその部分を自動化するために使用され得る。
【００３８】
校正機能１２０８（図１２参照）は、現実世界の空間（３Ｄ基準座標系）内の物理的構成要素を仮想現実環境１５内の見える構成要素と一致させる能力を提供する。それぞれの異なる種類の溶接クーポン１７５は、溶接クーポン１７５をスタンド１７０のアーム１７３に取り付け、所定のポイント１７９（例えば、溶接クーポン１７５の３つのくぼみ１７９によって示される）においてスタンド１７０に動作可能に接続された校正スタイラスで溶接クーポン１７５に触れることによって、工場で校正される。シミュレータ１０は、所定のポイント１７９での磁界の強さを読み取り、論理プロセッサベースのサブシステム１１０に位置情報を提供し、論理プロセッサベースのサブシステム１１０は、校正（すなわち、現実世界の空間から仮想現実空間への変換）を実行するために位置情報を使用する。
【００３９】
したがって、同じ種類の溶接クーポン１７５の任意の部分が、スタンド１７０のアーム１７３に非常に厳しい許容限度内で同じ反復可能な方法で適合する。したがって、いったん特定の種類の溶接クーポン１７５が校正されると、類似するクーポンの繰り返しの校正の必要はない。すなわち、特定の種類の溶接クーポン１７５の校正は１回だけの事象である）。換言すれば、同じ種類の溶接クーポン１７５は交換可能である。校正は、溶接プロセス中に使用者によって知覚される物理的なフィードバックが仮想現実空間で使用者に表示されるものと一致することを確実にし、シミュレーションがより現実的に見えるようにする。例えば、使用者が実際の溶接クーポン１７５の角の近くで模擬溶接ツール１６０の先端をスライドさせる場合、使用者は、使用者が実際の角の近くを先端がスライドすることを感じながら、表示装置２００で仮想溶接クーポンの角の近くを先端がスライドすることを見る。本発明の一つの実施形態によれば、模擬溶接ツール１６０はまた、予め位置決めされたジグに置かれ、既知のジグ位置に基づいて、同様に校正されてもよい。
【００４０】
本発明の一つの代替的な実施形態によれば、「スマート」クーポンは、シミュレータ１０が予め定められた校正ポイント又は「スマート」クーポンの角を追設することを可能にする、センサを有してもよい。センサは、予め定められた校正ポイントの正確な位置で、溶接クーポン１７５に取り付けられてもよい。しかし、校正データをシミュレータ１０に伝える如何なる方法であっても、選択され得る。したがって、シミュレータ１０は、「スマート」クーポンが現実世界の３Ｄ空間内のどこにあるかを連続的に知る。さらに、ライセンスキーが溶接クーポン１７５を「アンロック」するために提供されてもよい。特定の溶接クーポン１７５が購入されるとき、ライセンスキーが提供されてもよく、最終使用者１２ａ，１２ｂがライセンスキーをシミュレータ１０に入力し、その特定の溶接クーポン１７５に関連付けられたソフトウェアをアンロックすることを可能にする。一つの他の実施形態において、特殊な規格外の溶接クーポンが部品の現実世界のＣＡＤ図面に基づいて提供され得る。
【００４１】
プロセッサベースのシステム
これから図２、図４及び図１０を参照すると、上述されたように、シミュレータ１０は、論理プロセッサベースのサブシステム１１０を含む。論理プロセッサベースのサブシステム１１０は、仮想溶接環境１５を生成するために使用されるコード化された指令を実行するためのプログラム可能な電子回路構成２００を有し得る。プログラム可能な電子回路構成２００は、一つ又はそれ以上の論理プロセッサ２０３又は論理プロセッサベースのシステム２０３を含んでもよく、それらは一つ又はそれ以上のマイクロプロセッサ２０４を有し得る。一つの特定の実施形態において、プログラム可能な電子回路構成２００は、更に後述される（複数の）中央処理ユニット（ＣＰＵ）及び（複数の）グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）から構成され得る。例えば、電子メモリ、すなわちＲＡＭ，ＲＯＭ、及び他の周辺の支援回路構成のような、追加的な回路構成が含まれてもよい。電子メモリは、ＣＰＵ及びＧＰＵの両方のために含まれてもよく、それらのそれぞれは、ここで記述されるように仮想溶接環境１５のレンダリング側面における使用のために別々にプログラム可能であり得ることが留意される。その上に、プログラム可能な電子回路構成２００は、例えばハードディスク装置、後学的保存装置、フラッシュメモリ及びその他同種の物のようなデータ記憶装置３００を含み、利用してもよい。なお、シミュレータ１０内の複数の装置の間又は複数の異なるシミュレータ１０の間のデータの移動を容易にする、他の種類の電子回路構成が含まれ得る。これは、例えば、一つ又はそれ以上の入力装置１５５、例えば空間トラッカ若しくはセンサからのデータ受信、又は、一つ又はそれ以上のネットワークを通じたデータ移動を含んでもよい。一つ又はそれ以上のネットワークは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）及び／又はインターネットであり得る。上記の装置及びプロセスは、本質的に例示的なものであり、限定的に解釈されるべきでないことが、理解されるべきである。実際に、如何なる形式のプログラム可能な回路構成、支援回路構成、通信回路構成及び／又はデータ記憶装置であっても、確実な工学的判断で選択されるように本発明の実施形態に組み込まれ得る。
【００４２】
図１０は、シミュレータ１０の論理プロセッサベースのサブシステム１１０のサブシステムブロック図の一つの例示的な実施形態を示す。論理プロセッサベースのサブシステム１１０は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）１１１及び二つのグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）１１５を含んでもよい。二つのＧＰＵ１１５は、本発明の一つの実施形態に従って、実時間の溶融金属の流動性並びに熱吸収及び放散特性を有する溶接パドルの仮想現実シミュレーションを提供するようにプログラムされてもよい。
【００４３】
図１１を参照すると、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）１１５のブロック図の一つの例示的な実施形態が示される。各ＧＰＵ１１５は、データ並列アルゴリズムの実装をサポートする。本発明の一つの実施形態によれば、各ＧＰＵ１１５は、二つの仮想現実視界を提供することができる二つの映像出力１１８及び１１９を提供する。映像出力の二つは、フェースマウント表示装置１４０に送られることができ、溶接工の視点をレンダリングし、第三の映像出力は観察者表示装置１５０に送られることができ、例えば、溶接工の視点又は他の視点をレンダリングする。残りの第四の映像出力は、例えばプロジェクタに送られてもよく、又は仮想溶接環境１５をシミュレートすることに適した如何なる他の目的のために使用されてもよい。両方のＧＰＩ１１５は、同じ溶接物理学計算を実行し得るが、同じ又は異なる視点から仮想溶接環境１５をレンダリングし得る。ＧＰＵ１１５は、コンピューテッド統一デバイスアーキテクチャ（ＣＵＤＡ）１１６及びシェーダ１１７を含む。ＣＵＤＡ１１６は、業界標準プログラミング言語を通じてソフトウェア開発者がアクセス可能であるＧＰＵ１１５の計算エンジンである。ＣＵＤＡ１１６は、並列コアを含み、本明細書において記述される溶接パドルシミュレーションの物理モデルを動かすために使用される。ＣＰＵ１１１は、実時間溶接入力データをＧＰＵ１１５のＣＵＤＡ１１６に提供する。一つの特定の実施形態において、シェーダ１１７は、シミュレーションの全ての映像を描画すること及び塗ることを担当する。ビード及びパドルの映像は、後述される溶接ピクセル変位マップの状態によって駆動される。本発明の一つの実施形態によれば、物理モデルは、約毎秒３０回の速度で動くとともに更新される。
【００４４】
図１２は、シミュレータ１０の機能ブロック図の一つの例示的な実施形態を示す。シミュレータ１０の様々な機能ブロックは、主として、論理プロセッサベースのサブシステム１１０で動作するソフトウェア指令及びモジュールによって実装され得る。シミュレータ１０の様々な機能ブロックは、物理インターフェース１２０１、トーチ及びクランプモデル１２０２、環境モデル１２０３、音声コンテンツ機能１２０４、溶接音１２０５、スタンド／テーブルモデル１２０６、内部アーキテクチャ機能１２０７、校正機能１２０８、クーポンモデル１２１０、溶接物理学１２１１、内部物理学調整ツール（微調整器）１２１２、グラフィカルユーザーインターフェース機能１２１３、グラフ化機能１２１４、実習生レポート機能１２１５、レンダラ１２１６、ビードレンダリング１２１７、３Ｄテクスチャ１２１８、視覚的キュー機能１２１９、採点及び許容度機能１２２０、許容度エディタ１２２１、及び特殊効果１２２２を含む。
【００４５】
内部アーキテクチャ機能１２０７は、例えば、ファイルの読み込み、情報の保持、スレッドの管理、物理学モデルをオンにする、及びメニューを動作させることを含む、シミュレータ１０のプロセスのより高レベルのソフトウェアロジスティクスを提供する。内部アーキテクチャ機能１２０７は、本発明の実施形態では、ＣＰＵ１１１で作動する。論理プロセッサベースのサブシステム１１０への幾つかの実時間入力は、アーク位置、銃位置、フェースマウント表示装置又はヘルメット位置、銃のオン／オフ状態、及び接触された状態（イエス／ノー）を含む。
【００４６】
シミュレートされた溶接シナリオ中、グラフ化機能１２１４は、使用者パフォーマンスパラメータを集め、使用者パフォーマンスパラメータを（例えば、観察者表示装置１５０での）グラフィック形式での表示のためにグラフィカルユーザーインターフェース機能１２１３に提供する。空間トラッカ１２０からのトラッキング情報は、グラフ化機能１２１４に入る。グラフ化機能１２１４は、単純な分析モジュール（ＳＡＭ）及びウィップ／ウィーブ分析モジュール（ＷＷＡＭ）を含む。ＳＡＭは、溶接移動角度、移動速度、溶接角度、位置、及び先端からワークを含む使用者溶接パラメータを、それらの溶接パラメータをビードテーブルに保存されたデータと比較することによって分析する。ＷＷＡＭは、ダイム間隔、ウィップ時間、及びパドル時間を含む、使用者ウィッピングパラメータを分析する。ＷＷＡＭはまた、ウィーブの幅、ウィーブの間隔、及びウィーブ時間を含む使用者ウィービングパラメータを分析する。ＳＡＭ及びＷＷＡＭは、生の入力データ（例えば、位置及び向きのデータ）をグラフ化のために機能的に使用可能なデータに翻訳する。ＳＡＭ及びＷＷＡＭによって分析された各パラメータに対して、許容度ウィンドウが、許容度エディタ１２２１を使用してビードテーブルに入力される最適又は理想的な設定ポイントの周りのパラメータ限度によって定められ、採点及び許容度機能１２２０が実行される。
【００４７】
許容度エディタ１２２１は、材料の使用、電気の使用、及び溶接時間を概算する溶接メータを含む。さらに、幾つかのパラメータが許容度の外にあるとき、溶接不連続部（すなわち、溶接欠陥）が生じ得る。如何なる溶接不連続部の状態も、グラフ化機能１２１４によって処理され、グラフィック形式でグラフィカルユーザーインターフェース機能１２１３を介して提示される。このような溶接不連続部は、すみ肉サイズ、不十分なビード配置、凹ビード、余盛、アンダーカット、ポロシティ、融合不良、スラグ巻込、及び過剰なスパッタを含む。本発明の一つの実施形態によれば、不連続部のレベル又は量は、特定の使用者パラメータが最適又は理想の設定ポイントからどれくらい離れているかに依存する。
【００４８】
異なるパラメータ限度が、例えば、溶接初心者、溶接熟練者、及び展示会の人等の異なる種類の使用者に対して予め定められ得る。採点及び許容度機能１２２０は、特定のパラメータに関して使用者がどれくらい最適値（理想）に近かったかに依存するとともに溶接部に存在する不連続部又は欠陥のレベルに依存する数の採点を提供する。採点及び許容度機能１２２０から及びグラフ化機能１２１４からの情報は、指導者及び／又は実習生のために、パフォーマンスレポートを作るために、実習生レポート機能１２１５によって使用され得る。
【００４９】
視覚的キュー機能１２１９は、フェースマウント表示装置１４０及び／又は観察者表示装置１５０に重ねられた色及び指標を表示することによって使用者に即座のフィードバックを提供する。視覚的キューは、位置、先端からワーク、溶接角度、移動角度及び移動速度を含む溶接パラメータ１５１のそれぞれに提供され、使用者の溶接手技のある側面が予め定められた限度又は許容度に基づいて調整されるべきである場合、使用者に視覚的に指摘する。視覚的キューはまた、例えば、ウィップ／ウィーブ手技及び溶接ビード「ダイム」間隔のために提供され得る。
【００５０】
本発明の一つの実施形態によれば、仮想現実空間での溶接パドル又は溶融池のシミュレーションは、シミュレートされた溶接パドルが実時間の溶融金属の流動性及び熱放散特性を有する場合に達成される。本発明の一つの実施形態によれば、溶接パドルシミュレーションの中心部分には、ＧＰＵ１１５で実行される溶接物理学機能１２１１（物理モデルとしても知られる）がある。溶接物理学機能は、動的な流動性／粘性、固体性、熱勾配（熱吸収及び熱放散）、パドル跡、及びビード形状を正確にモデル化するために、二重移動層技術を利用し、本明細書において図１４ａ−１４ｃに関してより詳細に説明される。
【００５１】
溶接物理学機能１２１１は、加熱された溶融状態から冷却された凝固状態まで全ての状態において溶接ビードをレンダリングするために、ビードレンダリング機能１２１７と通信する。ビードレンダリング機能１２１７は、仮想現実空間において実時間で溶接ビードを正確且つ現実的にレンダリングするために、溶接物理学機能１２１１からの情報（例えば、熱、流動性、変位、ダイム間隔）を使用する。３Ｄテクスチャ機能１２１８は、シミュレートされた溶接ビードの上に追加的なテクスチャ（例えば、焼け（スコーチング）、スラグ、粒粒（グレイン））を重ねるために、ビードレンダリング機能１２１７にテクスチャマップを提供する。レンダラ機能１２１６は、スパーク、スパッタ、スモーク、アークの輝き及びヒューム、並びに例えばアンダーカット及びポロシティ等の幾つかの不連続部を含む特殊効果モジュール１２２２からの情報を使用して、様々な非パドルの特定の特性をレンダリングするために使用される。
【００５２】
内部物理調整ツール１２１２は、様々な溶接物理学パラメータが様々な溶接プロセスに対して定められ、更新され、且つ修正されること可能にする微調整器である。本発明の一つの実施形態によれば、内部物理調整ツール１２１２は、ＣＰＵ１１１で動作し、調整又は更新されたパラメータはＧＰＵ１１５にダウンロードされる。内部物理調整ツール１２１２を介して調整され得るパラメータの種類は、溶接クーポンに関連するパラメータ、溶接クーポンをリセットする必要なしにプロセスが変えられることを可能にする（第二のパスを行うことを可能にする）プロセスパラメータ、全シミュレーションを再設定すること無しに変えられ得る様々なグローバルパラメータ、及び他の様々なパラメータを含む。
【００５３】
図１３は、シミュレータ１０を使用するトレーニングの方法１３００の実施形態のフローチャートである。ステップ１３１０では、溶接手技に従って溶接クーポンに対して模擬溶接ツールを動かす。ステップ１３２０では、仮想現実システムを使用して三次元空間における模擬溶接ツールの位置及び向きを追跡する。ステップ１３３０では、シミュレートされた模擬溶接ツールが、シミュレートされた模擬溶接ツールから放出されるシミュレートされたアークの近くにシミュレートされた溶接パドルを形成することによって、シミュレートされた溶接ビード材料をシミュレートされた溶接クーポンの少なくとも一つのシミュレートされた表面にデポジットする（置く）ときに、仮想現実空間における模擬溶接ツール及び溶接クーポンの実時間仮想現実シミュレーションを示す仮想現実溶接システムのディスプレイを見る。ステップ１３４０では、シミュレートされた溶接パドルの実時間の溶融金属の流動性及び熱放散特性を、ディスプレイで見る。ステップ１３５０では、シミュレートされた溶接パドルの実時間の溶融金属の流動性及び熱放散特性を見ることに応じて、溶接手技の少なくとも一つの側面を実時間で修正する。
【００５４】
方法１３００は、どのように使用者が仮想現実空間で溶接パドルを見ることができ、実時間の溶融金属の流動性（例えば、粘性）及び熱放散を含む、シミュレートされた溶接パドルの様々な特性を見ることに応じて溶接手技を修正することができるかを示す。使用者はまた、実時間のパドル跡及びダイム間隔を含む他の特性を見るとともに反応し得る。溶接パドルの特性を見るとともに反応することは、多くの溶接動作が実際に現実世界で実行されるやり方である。ＧＰＵ１１５で動く溶接物理学機能１２１１の二重移動層モデリングは、このような実時間の溶融金属の流動性及び熱放散特性が正確にモデル化されると共に使用者に示されることを可能にする。例えば、熱放散は、凝固時間（すなわち、溶接ピクセルが完全に凝固するのにどのくらいの時間がかかるか）を決定する。
【００５５】
さらに、使用者は、同じ又は異なる（例えば、第二の）模擬溶接ツール、溶接電極及び／又は溶接プロセスを用いて溶接ビード材料の上に第二のパスを行い得る。このような第二のパスシナリオでは、シミュレートされた模擬溶接ツールが、シミュレートされた模擬溶接ツールから放出されるシミュレートされたアークの近くに第二のシミュレートされた溶接パドルを形成することによって、第一のシミュレートされた溶接ビード材料と融合する第二のシミュレートされた溶接ビード材料を被覆するとき、シミュレーションは、シミュレートされた模擬溶接ツール、溶接クーポン、及び元のシミュレートされた溶接ビード材料を仮想現実空間に示す。同じ又は異なる溶接ツール又はプロセスを用いる追加的なその次のパスが同様の方法で行われ得る。第二又はその次のパスいずれにおいても、本発明の幾つかの実施形態によれば、前の溶接ビード材料、新しい溶接ビード材料、及び、場合によって下にあるクーポン材料のいずれかの組合せから、新しい溶接パドルが仮想現実空間において形成されるとき、前の溶接ビード材料は、被覆される新しい溶接ビード材料と融合される。このようなその次のパスは、例えば、前のパスによって形成された溶接ビードの修理をするために実行されてもよく、又は、パイプ溶接で行われるようなヒートパス及びルートパス後の一つ又はそれ以上のキャップ閉鎖パスを含んでもよい。本発明の様々な実施形態によれば、ベース及び溶接ビード材料は、軟鋼、ステンレス鋼及びアルミニウムを含むようにシミュレートされ得る。
【００５６】
本発明の一つの実施形態によれば、ステンレス鋼材料を用いる溶接は、実時間の仮想環境内でシミュレートされる。ベース金属の外観は、ステンレス鋼溶接部の現実的な提示を提供するようにシミュレートされる。視覚的効果のシミュレーションは、アークの呈色を考慮に入れるために、光の目に見えるスペクトルを変化させるために提供される。現実的な音もまた、適切なワーク距離、イグニション及び速度に基づいて、シミュレートされる。アークパドルの外観及びデポジションの外観は、熱影響区域及びトーチの動きに基づいてシミュレートされる。溶接ビード全体に散乱され得る酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムの膜の浮きかす（ドロス）又は砕けた粒子のシミュレーションが、提供され得る。加熱及び冷却に影響される区分に関係する計算は、ステンレス鋼溶接に合わせられる。スパッタに関係する不連続性操作は、ステンレス鋼ＧＭＡＷ溶接の外観をより精密及び正確にシミュレートするために提供される。
【００５７】
本発明の一つの実施形態によれば、アルミニウム材料を用いる溶接は、実時間の仮想環境内でシミュレートされる。ビード跡は、アルミニウム溶接の外観を現実世界において見られる外観に精密に一致させるようにシミュレートされる。ベース金属の外観は、アルミニウム溶接の現実的な提示を示すようにシミュレートされる。視覚的効果のシミュレーションは、アークの呈色を考慮に入れるために、光の目に見えるスペクトルを変化させるために提供される。照明の計算は、反射性を作り出すために提供される。加熱及び冷却に影響される区分に関係する計算は、アルミニウム溶接に合わせられる。酸化のシミュレーションは、現実的な「クリーニング動作」を作り出すために提供される。現実的な音もまた、適切なワーク距離、イグニション及び速度に基づいて、シミュレートされる。アークパドルの外観及びデポジションの外観は、熱影響区域及びトーチの動きに基づいてシミュレートされる。アルミニウムワイヤの外観は、現実的かつ適切な外観を提供するために、ＧＭＡＷトーチ内にシミュレートされる。
【００５８】
本発明の一つの実施形態によれば、ＧＴＡＷ溶接は、実時間の仮想環境内でシミュレートされる。流量、パルス周波数、パルス幅、アーク電圧制御、ＡＣバランス及び出力周波数制御を含むがこれらに限られない、ＧＴＡＷ溶接についての操作パラメータのシミュレーションが、提供される。パドルの「はね（splash）」又は浸漬技術及び消費可能な溶接のメルトオフの視覚的な提示もまた、シミュレートされる。さらに、溶接パドル内の自原的な溶接操作（溶加材（filler  metal）なし）及び溶加材を用いたＧＴＡＷ溶接操作の提示は、視覚的及び聴覚的にレンダリングされる。追加的な溶加材の種類の実施がシミュレートされてもよく、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム及びクロムモリブデンを含むがこれらに限定されない。外部の足踏みペダルの選択的な実施は、溶接しながらの操作のために提供されてもよい。
【００５９】
モデル化用エンジン
図１４ａ−１４ｂは、本発明の一つの実施形態による、溶接要素（溶接ピクセル）変位マップ１４２０の概念を示す。図１４ａは、平らな上面１４１０を有する平らな溶接クーポン１４００の側面を示す。溶接クーポン１４００は、現実世界では、例えば、プラスチック部品として存在し、また仮想現実空間では、シミュレートされた溶接クーポンとして存在する。図１４ｂは、溶接ピクセルマップ１４２０を形成する、「溶接ピクセル」と称される溶接要素のグリッド又はアレイに分割されたシミュレートされた溶接クーポン１４００の上面１４１０の表示を示す。各溶接ピクセル（例えば、溶接ピクセル１４２１）は、溶接クーポンの上面１４１０の小さい部分を定める。溶接ピクセルマップは、表面解像度を定める。可変チャンネルパラメータ値が各溶接ピクセルに割り当てられ、各溶接ピクセルの値が、シミュレートされた溶接プロセス中に仮想現実溶接空間において実時間で動的に変化することを可能にする。可変チャンネルパラメータ値は、チャンネルパドル（Ｐｕｄｄｌｅ）（溶融金属の流動性／粘性変位）、熱（Ｈｅａｔ）（熱吸収／放散）、変位（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）（固体変位）、及び追加のもの（Ｅｘｔｒａ）（例えば、スラグ、グレイン、スコーチング、新地金等の様々な更なる状態）に対応する。これらの可変チャンネルは、パドル、熱、追加のもの、及び変位それぞれに関して、ＰＨＥＤとここでは称される。
【００６０】
図１５は、図１及び図２のシミュレータ１０においてシミュレートされる図１４の平らな溶接クーポン１４００のクーポン空間及び溶接空間の一つの例示的な実施形態を示す。ポイントＯ、Ｘ、Ｙ及びＺは、ローカル３Ｄクーポン空間を定める。一般的に、各クーポンの種類は、３Ｄクーポン空間から２Ｄ仮想現実溶接空間へのマッピングを定める。図１４の溶接ピクセルマップ１４２０は、仮想現実内の溶接空間にマッピングする値の２次元のアレイである。使用者は、図１５に示されるようにポイントＢからポイントＥに溶接することになる。ポイントＢからポイントＥへの軌跡線は、図１５の３Ｄクーポン空間及び２Ｄ溶接空間の両方に示される。
【００６１】
クーポンの各種類は、溶接ピクセルマップにおける各場所の変位の方向を定める。図１５の平らな溶接クーポンに関して、変位の方向は溶接ピクセルマップの全ての場所において同じである（すなわちＺ方向）。溶接ピクセルマップのテクスチャ座標が、マッピングを明らかにするために、３Ｄクーポン空間及び２Ｄ溶接空間の両方において、Ｓ、Ｔ（時々Ｕ、Ｖと呼ばれる）として示される。溶接ピクセルマップは、溶接クーポン１４００の長方形面１４１０にマッピングされるとともに溶接クーポン１４００の長方形面１４１０を示す。
【００６２】
図１６は、シミュレータ１０においてシミュレートされる角部溶接クーポン１６００のクーポン空間及び溶接空間の一つの例示的な実施形態を示す。角部溶接クーポン１６００は、３Ｄクーポン空間において、二つの面１６１０及び１６２０を有し、これらは図１６に示されるように２Ｄ溶接空間にマッピングされる。この場合もまた、ポイントＯ、Ｘ、Ｙ及びＺは、ローカル３Ｄクーポン空間を定める。溶接ピクセルマップのテクスチャ座標は、マッピングを明らかにするために、３Ｄクーポン空間及び２Ｄ溶接空間の両方において、Ｓ、Ｔとして示される。使用者は、図１６に示すようにポイントＢからポイントＥに溶接することになる。ポイントＢからポイントＥへの軌跡線は、図１６の３Ｄクーポン空間及び２Ｄ溶接空間の両方に示される。しかし、変位の方向は、３Ｄクーポン空間に示されるように線Ｘ’−Ｏ’に向かい、反対側の角を向かう。
【００６３】
図１７は、シミュレータ１０においてシミュレートされるパイプ溶接クーポン１７００のクーポン空間及び溶接空間の一つの例示的な実施形態を示す。パイプＷＣ１７００は、３Ｄクーポン空間において、曲面１７１０を有し、２Ｄ溶接空間にマッピングされる。この場合もまた、ポイントＯ、Ｘ、Ｙ及びＺは、ローカル３Ｄクーポン空間を定める。溶接ピクセルマップのテクスチャ座標は、マッピングを明らかにするために、３Ｄクーポン空間及び２Ｄ溶接空間の両方において、Ｓ、Ｔとして示される。最終使用者１２は、図１７に示すように湾曲した軌跡に沿ってポイントＢからポイントＥに溶接することになる。ポイントＢからポイントＥへの軌跡曲線及び線は、３Ｄクーポン空間及び２Ｄ溶接空間にそれぞれ示される。変位の方向は、線Ｙ−Ｏから離れる（すなわち、パイプの中心から離れる）。図１８は、図１７のパイプ溶接クーポン１７００の一つの例示的な実施形態を示す。パイプ溶接クーポン１７００は、非鉄金属、非導電性のプラスチックで作られ、一体となってルート継手１７０３を形成する二つのパイプピース１７０１及び１７０２をシミュレートする。スタンド１７０のアーム１７３に取り付けるためのアタッチメントピース１７０４も示される。
【００６４】
テクスチャマップが幾何学形状の長方形の表面領域にマッピングされ得るのと同様の方法で、溶接可能な溶接ピクセルマップが、溶接クーポンの長方形表面にマッピングされ得る。溶接可能なマップの各要素は、写真の各要素がｐｉｘｅｌ（ピクセル）と呼ばれること（picture  element（画素）の短縮）と同じ感覚でｗｅｘｅｌ（溶接ピクセル）と呼ばれる。ピクセルは、色（例えば、赤、緑、青、他）を定める情報のチャンネルを含む。溶接ピクセルは、仮想現実空間において溶接可能な面を定める情報のチャンネル（例えば、Ｐ、Ｈ、Ｅ、Ｄ）を含む。
【００６５】
本発明の一つの実施形態によれば、溶接ピクセルのフォーマットは、４つの浮動小数点数を含むチャンネルＰＨＥＤ（パドル、熱、追加のもの、変位）としてまとめられる。追加のもののチャンネルは、例えば、溶接ピクセルの場所にスラグがあるかどうか等、溶接ピクセルに関する論理的情報を格納するビットのセットとして扱われる。パドルチャンネルは、溶接ピクセルの場所での任意の液状金属に関する変位値を格納する。変位チャンネルは、溶接ピクセルの場所での任意の凝固金属に関する変位値を格納する。熱チャンネルは、溶接ピクセルの場所での熱の大きさを与える値を格納する。このように、クーポンの溶接可能な部分は、溶接されたビードに起因する変位、液体金属に起因する揺らめく表面の「パドル」、熱に起因する色等、を示すことができる。これらの効果の全ては、溶接可能な表面に適用される頂点及びピクセルシェーダによって実現される。
【００６６】
本発明の一つの実施形態によれば、変位マップ及びパーティクルシステムが使用され、粒子は互いに相互作用し得るとともに変位マップと衝突し得る。粒子は、仮想動的流体粒子であり、溶接パドルの液体挙動を提供するが、直接レンダリングされない（すなわち、直接視覚的に見られない）。代わりに、変位マップに対する粒子の効果のみが視覚的に見られる。溶接ピクセルへの熱入力は、近くの粒子の運動に影響を及ぼす。パドル及び変位を含む溶接パドルをシミュレートするのに関わる二つのタイプの変位がある。パドルは「一時的」であり、粒子及び熱が存在する間しか続かない。変位は「永久的」である。パドル変位は、急速に変化する（例えば、揺らめく）溶接の液体金属であり、変位の「上に」あると考えられ得る。粒子は、仮想表面変位マップ（すなわち、溶接ピクセルマップ）の一部をオーバーレイする（覆う）。変位は、最初のベース金属及び凝固した溶接ビードの両方を含む不変の固体金属を表す。
【００６７】
本発明の一つの実施形態によれば、仮想現実空間でシミュレートされた溶接プロセスは、次のように動く：粒子が細い円錐のエミッタ（シミュレートされた模擬溶接ツール１６０のエミッタ）から流れる。粒子は、溶接ピクセルマップによって定められる表面であるシミュレートされた溶接クーポンの表面と最初の接触をする。粒子は、互いに及び溶接ピクセルマップと相互作用し、実時間で蓄積する。溶接ピクセルがエミッタに近いほど多くの熱が加えられる。熱は、アークポイントからの距離及びアークから入力される熱の時間の量に依存してモデル化される。いくつかのビジュアル（例えば、色等）が熱によって駆動される。溶接パドルが、十分な熱を有する溶接ピクセルに対して仮想現実空間に描かれる又はレンダリングされる。十分熱いところはどこでも、溶接ピクセルマップは液体になり、パドル変位をこれらの溶接ピクセルの場所に対して「上げ」させる。パドル変位は、各溶接ピクセルの場所における「最も高い」粒子をサンプリングすることによって決定される。エミッタが溶接軌跡に沿って動くとき、残された溶接ピクセルの場所は冷える。熱は特定の速度で溶接ピクセルの場所から除去される。冷却閾値に達するとき、溶接ピクセルマップは凝固する。このように、パドル変位は、変位（すなわち凝固したビード）に徐々に変換される。追加される変位は、全高が変化しないように、除去されるパドルと同等である。粒子の寿命は、凝固が完了するまで存続するように微調整又は調整される。シミュレータ１０でモデル化される幾つかの粒子の特性は、引力／斥力、速度（熱に関連する）、減衰（熱放散に関連する）、方向（重力に関連する）を含む。
【００６８】
図１９ａ−１９ｃは、シミュレータ１０の二重変位（変位及び粒子）パドルモデルの概念の一つの例示的な実施形態を示す。溶接クーポンは、少なくとも一つの面を有して仮想現実空間でシミュレートされる。溶接クーポンの面は、固体変位層及びパドル変位層を含む二重変位層として仮想現実空間でシミュレートされる。パドル変位層は、固体変位層を変更することができる。
【００６９】
本明細書において記述されるように、「パドル」は、パドル値が粒子の存在によって上げられた溶接ピクセルマップの領域によって定められる。サンプリングプロセスは図１９ａ−１９ｃに表される。溶接ピクセルマップの部分が、７つの隣接する溶接ピクセルを有して示される。現在の変位値は、所与の高さ（すなわち、各溶接ピクセルに対する所与の変位）の陰影のない長方形の棒１９１０によって表される。図１９ａでは、粒子１９２０が、現在の変位レベルと衝突し積み重ねられた丸い陰影のない点として示される。図１９ｂでは、「最も高い」粒子高さ１９３０が、各溶接ピクセルの場所でサンプリングされる。図１９ｃでは、陰影付き長方形１９４０が、どれくらいのパドルが粒子の結果として変位の上部に加えられたかを示す。溶接パドル高さは、パドルが熱に基づいて特定の液化速度で加えられるので、サンプリングされた値に即座に設定されない。図１９ａ−１９ｃに示されていないが、パドル（陰影付き長方形）が徐々に縮むとともに変位（陰影のない長方形）が正確にパドルに代わるように下から徐々に伸びるので、凝固プロセスを可視化することが可能である。このように、実時間の溶融金属の流動特性は、正確にシミュレートされる。使用者が特定の溶接プロセスを練習するとき、使用者は、仮想現実空間で実時間の溶接パドルの溶融金属の流動特性及び熱放散特性を観察することができるとともに、彼の溶接手技を調整又は維持するためにこの情報を使用することができる。
【００７０】
溶接クーポンの面を表す溶接ピクセルの数は固定される。さらに、流動性をモデル化するためにシミュレーションによって生成されるパドル粒子は、本明細書において記述されるように、一時的である。したがって、ひとたび初期パドルが、シミュレータ１０を使用するシミュレートされた溶接プロセス中に、仮想現実空間に生成されると、溶接ピクセルに加えてパドル粒子の数は比較的一定のままの傾向がある。これは、処理されている溶接ピクセルの数が固定され、パドル粒子は同様の割合で作られるとともに「破壊される」（すなわちパドル粒子は一時的である）ため溶接プロセス中に存在するとともに処理されているパドル粒子の数は比較的一定のままの傾向があるためである。したがって、論理プロセッサベースのサブシステム１１０の処理負荷は、シミュレートされる溶接セッション中、比較的一定のままである。
【００７１】
本発明の一つの代替的な実施形態によれば、パドル粒子は、溶接クーポンの表面内又は同表面の下で生成され得る。このような実施形態では、変位は、未加工（すなわち溶接されていない）クーポンの元の表面の変位に対して正又は負であるようにモデル化され得る。このように、パドル粒子は、溶接クーポンの表面に蓄積し得るだけでなく、溶接クーポンを貫通もし得る。しかし、溶接ピクセルの数は依然として固定され、作られるとともに破壊されるパドル粒子は依然として比較的一定である。
【００７２】
本発明の一つの代替的な実施形態によれば、粒子をモデル化する代わりに、パドルの流動性をモデル化するためにより多くのチャンネルを有する、溶接ピクセル変位マップが提供され得る。或いは、粒子をモデル化する代わりに、高密度なボクセル（ｖｏｘｅｌ）マップがモデル化され得る。或いは、溶接ピクセルマップをモデル化する代わりに、サンプリングされるとともに決して消えない粒子のみがモデル化され得る。しかし、このような代替実施形態は、システムに対して比較的一定の処理負荷を提供しないかもしれない。
【００７３】
さらに、本発明の一つの実施形態によれば、吹き抜け又はキーホールが材料を取り除くことによってシミュレートされる。例えば、使用者がアークを同じ場所にあまりにも長い間保持する場合、現実世界では、材料は燃え尽き、穴をもたらす。このような現実世界の吹き抜けは、溶接ピクセルデシメーション技術によってシミュレータ１０でシミュレートされる。溶接ピクセルによって吸収される熱の量がシミュレータ１０によって高過ぎると決定される場合、その溶接ピクセルは、燃え尽きているとしてフラグを付けられる又は指定され得るとともに、そのようにレンダリングされる（例えば穴としてレンダリングされる）。しかし、続いて、溶接ピクセル再構成が、最初に燃え尽きた後に材料が追加されて戻される特定の溶接プロセス（例えばパイプ溶接）について発生し得る。概して、シミュレータ１０は、溶接ピクセルデシメーション（材料を取り除くこと）及び溶接ピクセル再構成（すなわち、材料を追加して戻すこと）をシミュレートする。
【００７４】
さらに、ルートパス溶接における材料の除去が、シミュレータ１０において適切にシミュレートされる。例えば、現実世界では、ルートパスの研磨がその後の溶接パスの前に実行され得る。同様に、シミュレータ１０は、仮想の溶接継手から材料を除去する研磨パスをシミュレートし得る。除去される材料は溶接ピクセルマップに対する負の変位としてモデル化されることが明確に理解されるであろう。すなわち、研磨パスは、シミュレータ１０によってモデル化される材料を除去し、変更されたビード輪郭をもたらす。研磨パスのシミュレーションは自動的であり得る。つまり、シミュレータ１０は材料の所定の厚さを除去し、これはルートパス溶接ビードの表面にそれぞれ考慮され得る。一つの代替的な実施形態において、実際の研磨ツール、又はグラインダがシミュレートされることができ、模擬溶接ツール１６０又は他の入力装置の作動によってオン及びオフになる。研磨ツールは現実世界のグラインダに類似するようにシミュレートされ得ることが留意される。本実施形態において、使用者は、研磨ツールをその動きに応じて材料を除去するためにルートパスに沿って操作する。使用者は過度に材料を除去することが許容され得ることが理解されるであろう。上述と同様の方法で、使用者が過度に材料を研磨する場合、（上述された）穴又は他の欠陥が結果として生じ得る。さらに、ハードリミット又はストップが、使用者が過度に材料を除去することを防ぐために又は過度に材料が除去されるときに示すために、実装され得る、すなわちプログラムされ得る。
【００７５】
ここに記載された不可視の「パドル」粒子に加えて、シミュレータ１０はまた、本発明の一つの実施形態に従って、アーク、炎、及び火花効果を表現するために、３つの他の種類の可視粒子を使用する。これらの種類の粒子は、いずれの種類の他の粒子とも相互に作用しないが、変位マップのみと相互に作用する。これらの粒子はシミュレートされた溶接面と衝突するが、それらは互いに相互に作用しない。本発明の一つの実施形態によれば、パドル粒子のみが互いに相互に作用する。火花粒子の物理的性質は、火花粒子が飛び回るとともに仮想現実空間において輝く点としてレンダリングされるように設定される。
【００７６】
アーク粒子の物理的性質は、アーク粒子がシミュレートされたクーポン又は溶接ビードの表面に衝突し、しばらく留まるように設定される。アーク粒子は、仮想現実空間において大きく、ぼやけた青白いスポットとしてレンダリングされる。任意の種類の視覚映像を形成するために、重ね合わせられる多くのこのようなスポットが必要である。最終結果は、青い端部を持つ白く輝く光輪である。
【００７７】
炎粒子の物理的性質は、上方にゆっくり上がるようにモデル化される。炎粒子は、中間サイズのぼやけた黄赤色のスポットとしてレンダリングされる。任意の種類の視覚映像を形成するために、重ね合わせられる多くのこのようなスポットが必要である。最終結果は、赤い端を持つ橙赤色の炎のぼんやりした形のものであり、上方に上がり次第に消える。他の種類の非パドル粒子が、本発明の他の実施形態に従って、シミュレータ１０に実装され得る。例えば、煙粒子がモデル化され得るとともに炎粒子と同様の方法でシミュレートされ得る。
【００７８】
シミュレートされた可視化の最終ステップは、ＧＰＵ１１５のシェーダ１１７によって提供される、頂点及びピクセルシェーダによって扱われる。頂点及びピクセルシェーダは、パドル及び変位、並びに熱に起因して変えられる表面の色及び反射率、等に用いられる。前述のＰＨＥＤ溶接ピクセルフォーマットの追加のもの（Ｅ）チャンネルは、溶接ピクセル毎に使用される追加の情報の全てを含む。本発明の一つの実施形態によれば、追加の情報は、非未加工ビット（真＝ビード、偽＝未加工スチール）、スラグビット、アンダーカット値（この溶接ピクセルにおけるアンダーカットの量、ゼロはアンダーカットが無いことに等しい）、ポロシティ値（この溶接ピクセルにおけるポロシティの量、ゼロはポロシティが無いことに等しい）、及びビードが凝固する時間をエンコードするビード跡値を含む。未加工スチール、スラグ、ビード、及びポロシティを含む異なるクーポン映像に関連付けられた一連の画像マップがある。これらの画像マップは、バンプマッピング及びテクスチャマッピングの両方のために使用される。これらの画像マップのブレンディングの量は、ここに記載された様々なフラグ及び値によって制御される。
【００７９】
ビード跡効果は、１Ｄ画像マップ及び所与の一片のビードが凝固する時間をエンコードする溶接ピクセル当たりのビード跡値を使用して達成される。ひとたび熱いパドル溶接ピクセルの場所がもはや「パドル」と呼ばれるのに十分熱くなくなると、時間がその場所において保存され「ビード跡」と呼ばれる。最終結果は、シェーダコードが、ビードが置かれた方向を表現するその独特の外観をビードに与える「さざ波」を描くために１Ｄテクスチャマップを使用することができる。本発明の一つの代替的な実施形態によれば、シミュレータ１０は、シミュレートされた溶接パドルが溶接軌跡に沿って動かされる際に、シミュレートされた溶接パドルの実時間の流動状態から凝結への移行に起因する実時間溶接ビード跡特性を有する溶接ビードを、仮想現実空間でシミュレートすることができるとともに表示することができる。
【００８０】
本発明の一つの代替的な実施形態によれば、シミュレータ１０は、使用者に溶接機械の問題解決（トラブルシュート）をする方法を教えることができる。例えば、システムの問題解決モードは、使用者がシステムを正しく設定すること（例えば、正しいガス流量、正しい電源コード接続、等）を確かにするために使用者をトレーニングし得る。本発明の他の代替的な実施形態によれば、シミュレータ１０は、溶接セッション（又は少なくとも溶接セッションの一部、例えば、Ｎフレーム）を記録し、再生することができる。トラックボールが映像のフレームを通じてスクロールするために設けられることができ、使用者又は指導者が溶接セッションを批評することを可能にする。再生は、選択可能な速度でも（例えば、最高速度、半分の速度、１／４の速度）提供され得る。本発明の一つの実施形態によれば、分割スクリーン再生が提供されることができ、二つの溶接セッションが、例えば観察者表示装置１５０で、並べて見られることを可能にする。例えば、「良い」溶接セッションが、比較目的で「悪い」溶接セッションの隣で見られ得る。
【００８１】
自動化された溶接も本発明の一つの態様である。自動化された溶接の一つの例示的な実施例は、オービタル溶接（orbital  welding）である。オービタル溶接は、様々な種類の材料チューブ又はパイプの接合のためにしばしば使用される。例えば、ＴＩＧ（ＧＴＡＷ）溶接トーチは、自動化された機械的なシステムによって一体に溶接されるべき複数のパイプの周り軌道に乗って回るために使用され得る。図２０は、オービタル溶接環境において使用されるような、オービタル溶接システムの一つの例示的な実施形態を示す。オービタル溶接システムは、パイプ又はチューブの周りを移動する溶接トラクター、溶接電源及び制御部、並びに操作者制御を提供するペンダント（pendant）を含む。図２１は、溶接されるべき二つのパイプに動作可能に接続された、図２０のオービタル溶接システムの溶接トラクター２０１０を示す。図２２は、図２０のオービタル溶接システムの電源及び制御部２０２０を示す。また、図２３は、図２０のオービタル溶接システムのペンダント２０３０を示す。
【００８２】
上記の説明は、オービタル溶接を含むプロセスの仮想現実シミュレーションに焦点を合わせていたが、本発明の実施形態は、その態様に限定されず、使用者に定められた設定に従ってなされる溶接に関連する実際の設定及びパフォーマンス特性の教示及びフィードバックの態様も含む。上述されたように、ＧＴＡＷ／ＧＭＡＷ溶接は、操作者がこのプロセスの練習のために利用可能な制御装置を理解することを確かにするためにトレーニングを要求する。機械が溶接を行っているため、オービタル溶接システムに関連する自動化がトレーニングの必要性をなくすという誤解が存在する。自動化されたオービタル溶接は、操作者が溶接及び特有の設定の全て及びＴＩＧビードを制御するための実施技術を理解することを確かにするためにトレーニングを要求する。これは、エラー修正、より大きな直径のパイプの溶接、遠隔カメラの利用並びに適切なエラー評価及び修正を含む。トレーニングプログラムは、良好な溶接状況、悪い溶接状況及び実行するための機序、それぞれへの反応又は修正を教えることの、一貫しない又は不十分な範囲を提供する。この種のニッチな問題解決手段のための指導者は、十分な背景及び／又は産業知識及び経験で見つけることは難しい。認定された指導者によって教えられた品質トレーニングを通じてのみ、オービタル溶接設備の操作者は、今日の溶接環境における厳格な承認基準を満たすために必要とされる複雑な技能を得ることができる。加えて、長い溶接継手を伴う大きな周囲の設計については、注意及び集中を維持することの困難性が重要な課題を提示する。
【００８３】
ＧＴＡＷプロセスにおいて、電弧は消耗品でないタングステン電極とワークピースとの間に維持される。電極はアークの熱を持続させ、ワークピースの金属は溶けて溶接パドルを形成する。ワークピースの溶融金属及び電極は、大気中の酸素に対して保護されなければならず、そのため典型的に、例えばアルゴンなどの不活性ガスをシールドガスとして利用する。溶加材の添加が使用される場合、フィラーワイヤは溶接パドルに送給されてもよく、そこでフィラーワイヤは、電弧によって供給されるエネルギーに起因して溶ける。本発明の一つの実施形態によれば、（実際の又は仮想の）ペンダント又は遠隔制御を使用する、ＧＴＡＷ／ＧＭＡＷの自動化された溶接操作を見ることに関係する技術を組み込む仮想現実溶接システムが提供される。その仮想現実溶接システムは、自動化された溶接に関係するときに、様々なパラメータの相互作用及び溶接品質に対するそれらのインパクトを、自動化された溶接に関係する適切な専門用語及び視覚的な要素と共に理解するために、使用者画面の使用を通じて、選択された溶接パラメータの組み合わせに基づいて溶接不連続部を特定し、操作者選択及びパラメータの組み合わせを修正する。
【００８４】
仮想環境内でオービタルＧＴＡＷトレーニングを実施することによって、多数の問題が扱われ得る。例えば、オービタル溶接における産業及び経験は、開発会社の知識に基づき、そのため、一貫性があり且つ入手可能な最新の技術及び基準に更新される。その更新は、仮想環境のソフトウェアのアップグレードによって容易に行われる。指導者は、プログラムに対する進行役となり、オービタルＧＴＡＷの専門家である必要はない。経路追従キュー又は視覚的な積み重ねのような追加的なトレーニング補助は、仮想環境内でトレーニングの移行を改善する。オービタルＧＴＡＷ設備は、時代遅れになり得るが、購入される必要はない。仮想現実システムは、一つ又はそれ以上のトレーニング環境又は教室様式の周囲の状況において使用されることができる。
【００８５】
仮想の枠組みの使用は、複数のペンダントが一つのトレーニング装置を用いてシミュレートされることを可能にする。仮想現実でのオービタルＧＴＡＷの実施において、ペンダントは、物質的な装置として又は仮想のペンダントとして作られることができる。物質的な装置を用いて、実習生は、制御装置と相互作用し、制御の「感覚」を獲得することができる。仮想のペンダントを用いる場合、制御装置はタッチスクリーン上で利用可能であるとともに相互作用され、使用者は、それらが特別注文されようと又は会社に依存しようと、制御のための様々なペンダントを容易に選択することができる。仮想のペンダントはまた、実習生の産業上のレベルに基づいて利用可能な学習レベル又は制御装置に応じて、その実習生による使用が可能にされるべき、異なる種類の制御装置又はレベル（フィールドワーク経験を反映すること）を可能にする。伝統的なトレーニングとは違い、無作為化された（ランダムな）故障（例えば、ワイヤのネスティング）が実施されることができる。それは、設備を損傷すること又は時間を消費する設定をすることなく、使用者により詳細且つ完全な経験を提供する。
【００８６】
学習相互作用の一部は、継手、準備、材料の種類等に基づく適切な溶接パラメータの理解である。一つの実施形態によれば、仮想現実において、理論対応スクリーンは、適切な選択を行うための知識で、使用者を促すことを可能にされてもよい。追加的なスクリーン又はテーブルが、入力されるべきものの知識で使用者を促すことを可能にされてもよいが、誤った選択肢が選ばれた場合に何が選ばれたか及び何故それが不正確であるかを、特定された適切な選択肢と共に強調することを可能にされてもよい。この種類の知的エージェントは、積極的な応援及び学習を鍵として、実習生が、不正確に実行しないこと及び最終結果によって挫折させられないことを確かにすることができる。本発明の一つの実施形態はまた、システム又は指導者が、使用者の知識を質問し、トレーニングカリキュラム及び個人的な使用者の盲点に対する試験を適合させることを可能にすることができる。本発明の一つの実施形態は、必要な領域での指導を手伝い、知識を補強し、学習の補助を提供する人工知能（ＡＩ）及び学習管理システム（ＬＭＳ）を利用する。
【００８７】
設定パラメータは、不活性ガス（例えば、アルゴン、ヘリウム）、アークイグニション、溶接電流（例えば、パルス対非パルス）、溶接の最後でのクレータ形成を避けるための下り坂機能、トーチ回転移動速度、ワイヤ送給特性（例えば、パルス波形）、ワイヤ直径選択、アーク電圧、電極とワークピースとの間の距離、溶接振動制御、遠隔制御、概して一体化された閉ループ水冷回路の冷却特性及び溶接サイクルプログラミング（しばしば４つの軸を伴う）等を含み得るが、これらに限定されない。
【００８８】
溶接の検査及び復習は、学習プロセスの一つの他の側面である。実習生は、溶接を見ることができ、何が正しいか又は誤っているかを特定することができ、これらの選択に基づいて、彼らが正しかったかどうかを特定する得点を受け取ることができ、業界標準に基づいて何が正しいか又は誤っているかに関する入力を更に受け取ることができる。これは、どのようにこれらの状況を修正するかを特定することに更に拡張されることができる。一例として、正確な電流量及び（特定された）速度を用いた場合、溶接は、特定の業界標準に基づいて良好な溶接であり得る。
【００８９】
上述されたように、仮想現実溶接における入力選択のための物質的な教育ペンダント又は携帯型（hand-held）の制御装置が、提供され得る。代替的に、仮想現実溶接についての入力選択制御のための仮想教育ペンダント装置が、提供され得る。実習生の学習レベル又は産業上の役割に応じた、携帯型又は仮想の装置との相互作用が、装置上で可能にされ得る。使用者に基づいて制御又は相互作用を制限することが、一つの実施形態に従い、学習対象を拡張すること又は産業上の役割との相互作用を強化するために、提供され得る。
【００９０】
視覚的、聴覚的又は物理的な変化に基づく教示する相互作用又は反応は、使用者が適切な設定又はエラー修復を知ることを確かにするために提供されてもよい。また、視覚的、聴覚的又は物理的な変化に基づく教示する相互作用又は反応は、使用者が、行われている環境的又は溶接特有の変更に基づいて必要とされる、制御装置における適切な変更を知ることを確かにするために提供されてもよい。仮想計算機又は表は、入力を可能にし、入力された値に基づいて出力を提供することを可能にされてもよい。誤った設定パラメータ又は選択に基づく、知的エージェントが使用可能な結果は、正確な業界標準を強化するために提供されてもよい。さらに、何が適切な制御装置入力であるべきであったかを特定するための、知的エージェントが使用可能な入力は、現在の視覚的、聴覚的又は物理的なインジケータに基づいて、提供されてもよい。一つの実施形態によれば、カメラベースのシステムのシミュレーションは、ファジー論理制御部ベースのシステムに基づく経路追従及び経路決定システムを作ることと共に、提供されてもよい。例えば、複数のカメラ視界がシミュレーション中に動かされることができるように、二つのカメラ視界をシミュレートすることによる複数のレンダリングが提供されてもよい。一つの実施形態によれば、例えば、ファジー論理に基づいて、所望の経路から逸脱する場合に、警報が鳴ってもよい。シミュレートされたＴＩＧ溶接パドルの可視化は、ＴＩＧ溶接パドルの適切な可視化を提供するために十分に小さなピクセルサイズによって提供され得る。シミュレートされたＴＩＧ溶接パドルの拡大のシミュレーションもまた、使用者によるより良い可視化のために提供され得る。
【００９１】
使用者の技能レベル、学習ペース及び学習スタイルに適する、使用者のための経験の複数のレベルが提供されてもよい（学習管理システム適合）。人工知能（ＡＩ）ベースの障害導入もまた、問題を発見、修正及び修復する使用者の能力を試験するために、提供されてもよい。安全でない状況、機器設定及び材料の欠陥のシミュレーションが提供されてもよい。また、一つの実施形態に従い、多言語機能を有するシステムが提供されて、世界市場のためのトレーニングのハーモナイゼーションを可能にしてもよい。本発明の一つの実施形態は、特定のオービタル溶接シナリオにおけるように、二人又はそれ以上の使用者（複数の人）が一つの仮想溶接を作り出すことを可能にする仮想シミュレーション環境を提供し得る。
【００９２】
要約すると、開示されたものは、実時間仮想現実溶接システムであって、プログラム可能なプロセッサベースのサブシステム、プログラム可能なプロセッサベースのサブシステムに動作可能に接続された空間トラッカ、空間トラッカによって空間的に追跡されることができる少なくとも一つの模擬溶接ツール、及びプログラム可能なプロセッサベースのサブシステムに動作可能に接続された少なくとも一つの表示装置、を含む、システムである。システムは、仮想現実空間内で、実時間の溶融金属流動性及び熱放散特性を有する溶接パドルをシミュレートすることができる。システムは更に、シミュレートされた溶接パドルを実時間で表示装置に表示することができる。
【００９３】
本発明は、開示された複数の実施形態を参照して本明細書において記述された。明らかに、本明細書を読み、理解することによって、変更及び代替が他の者の考えに浮かび得る。全てのそのような変更及び代替を、それらが添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内に含まれる範囲で含むことが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図６ａ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図１９ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【外国語明細書】
2018049291000001.pdf