(57)【要約】      （修正有）【課題】円周溶接継手の仮想溶接作業を円滑にするシミュレータを提供する。【解決手段】シミュレータ１０は、少なくとも１つの仮想溶接継手を有する仮想管材に対する溶接作業をエミュレートするインタラクティブ溶接環境を生成するためのコード化された命令を実行するように動作可能な論理プロセッサシステムを有する。シミュレータはまた、論理プロセッサベースのシステムに接続され、インタラクティブ溶接環境を視覚的に描写する表示部であって、仮想管材を描写する表示部、を有する。溶接装置のセットアップ及び少なくとも１つの溶接継手に対するリアルタイムの仮想溶接作業を実行するための吊下型入力装置が設けられる。１又は複数のセンサーが、入力装置の動きをリアルタイムで追跡し、入力装置の動きについてのデータを論理プロセッサベースのシステムに伝送するように構成される。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
仮想溶接作業を円滑にするシミュレータであって、
少なくとも１つの仮想溶接継手を有する仮想管材に関する溶接のセットアップ及び作業をエミュレートするインタラクティブ円周溶接環境を生成するためのコード化された命令を実行するように動作可能な論理プロセッサベースのサブシステムと、
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、前記インタラクティブ溶接環境を視覚的に描写する表示手段であって、前記仮想管材を描写する表示手段と、
前記少なくとも１つの仮想溶接継手に関するセットアップ及び仮想溶接作業をリアルタイムで実行するための吊下型又はハンドヘルドの入力装置と、
を備える、シミュレータ。
【請求項２】
前記入力装置は、仮想現実溶接に関する入力選択のための制御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更に、学習目的を強化するために、ユーザーに基づく制限制御又は制限インタラクションを含む、
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更に、前記ユーザーが円周溶接環境を適切にセットアップでき、又はエラー回復を実行できることを保証するために、視覚的、聴覚的、物理的な変化に基づく指導インタラクション又は指導反応を含む、
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更に、入力を許可し入力された値に基づく出力を提供する仮想の計算部又はテーブルを含む、
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更に、不正確なセットアップパラメーター又はパラメーターの組合わせに基づく、インテリジェントエージェント対応の結果を含む、
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更に、前記ユーザーに入力されるべきであった適切なセットアップパラメーター又はパラメーターの組合わせを特定するための、インテリジェントエージェント対応の入力を含む、
請求項６に記載のシミュレータ。
【請求項８】
前記セットアップパラメーター又はパラメーターの組合わせの視覚的、聴覚的又は物理的なインジケーターを更に備える、請求項７に記載のシミュレータ。
【請求項９】
前記円周溶接のパスを追跡するための模擬カメラベースシステムを更に備える、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項１０】
ファジー理論制御部ベースシステムに基づく経路追跡及び経路決定のシステムを更に備える、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更に、ユーザーに対して複数のレベルを有し、各レベルはユーザーの熟練度、学習速度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更に、ユーザーの問題の検出、修正及び回復の能力を試験するための、人工知能ベースの障害命令を含む、
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更に、機械のセットアップ及び材料の欠陥に関する危険な状況のシミュレーションを含む、
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】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の、仮想溶接作業を円滑にするシミュレータであって、
少なくとも１つの仮想溶接継手を有する仮想管材に関する溶接のセットアップ及び作業をエミュレートするインタラクティブ円周溶接環境を生成するためのコード化された命令を実行するように動作可能な、論理プロセッサベースのサブシステムと、
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、前記インタラクティブ溶接環境を視覚的に描写する表示手段であって、前記仮想管材を描写する表示手段と、
前記少なくとも１つの仮想溶接継手に関するセットアップ及び仮想溶接作業をリアルタイムで実行するための吊下型又はハンドヘルドの入力装置と、
を備え、
前記論理プロセッサベースのサブシステムは更に、前記ユーザーが円周溶接環境を適切にセットアップでき、又はエラー回復を実行できることを保証するために、視覚的、聴覚的、物理的な変化に基づく指導インタラクション又は指導反応を含み、
前記論理プロセッサベースのサブシステムは更に、入力を許可し入力された値に基づく出力を提供する仮想の計算部又はテーブルを含み、
前記論理プロセッサベースのサブシステムは更に、不正確なセットアップパラメーター又はパラメーターの組合わせに基づく、インテリジェントエージェント対応の結果を含み、
前記入力装置は、仮想現実溶接に関する入力選択のための制御をエミュレートする、
シミュレータ。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この米国出願は、２０１２年７月１０日に出願された米国特許仮出願第６１／６６９，７１３号の優先権を主張し、その全体を本明細書に援用する。
【０００２】
本考案は、仮想溶接環境をエミュレートするシステムに関し、より詳細には、パイプ及び開ルート継手（open  root  joint）の溶接をリアルタイムでエミュレートする仮想溶接環境及びそのセットアップに関する。
【背景技術】
【０００３】
数十年間、企業が溶接技能を指導してきた。従来、溶接の指導は現実世界の環境において行われており、すなわち溶接は、実際に電極を用いて金属片にアークを当てることにより指導されている。指導者（当該技術分野の当業者）は、訓練生が溶接を行う際に時には修正しながら、訓練プロセスを監督する。指導と反復により、新しい訓練生は１又は複数のプロセスを用いて溶接を行う方法を習得する。しかしながら、溶接を行うごとに費用がかかり、コストは指導される溶接プロセスによって変動する。
【０００４】
最近では、溶接者の訓練に関するコストを削減するシステムが採用されている。一部のシステムには、動作解析装置が組み込まれている。解析装置は、溶接部の物理的モデルと、疑似電極と、疑似電極の動きを追跡する検知手段とを有する。電極の先端がどれくらい動作許容範囲の外で動いたかについて、レポートが生成される。より高度なシステムには仮想現実の利用が組み込まれ、仮想環境において疑似電極の操作をシミュレートする。このようなシステムも同様に、位置と方向を追跡する。これらのシステムは筋肉の記憶を指導するものに過ぎず、熟練の溶接者に求められるより高度な溶接技能を指導することはできない。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
本考案の実施形態は、仮想溶接作業を円滑にするミュレータに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
当該シミュレータは、例として以下の要素を備える。すなわち、少なくとも１つの仮想溶接継手を有する仮想管材に関する溶接のセットアップ及び作業をエミュレートするインタラクティブ円周溶接環境を生成するためのコード化された命令を実行するように動作可能な論理プロセッサベースのサブシステムと、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、インタラクティブ溶接環境を視覚的に描写する表示手段であって、仮想管材を描写する表示手段と、該少なくとも１つの仮想溶接継手に関するセットアップ及び仮想溶接作業をリアルタイムで実行するための吊下型又はハンドヘルドの入力装置と、入力装置の動きをリアルタイムで追跡し、入力装置の動きについてのデータを論理プロセッサベースのサブシステムに伝送するように構成される１又は複数のセンサーと、を備える。入力装置は、仮想現実溶接に関する入力選択のための制御をエミュレートする。論理プロセッサベースのサブシステムは更に、学習目的を強化するために、ユーザーに基づく制限制御又は制限インタラクションを含んでよい。論理プロセッサベースのサブシステムは、任意に、ユーザーが円周溶接環境を適切にセットアップでき、又はエラー回復を実行できることを保証するために、視覚的、聴覚的、物理的な変化に基づく指導インタラクション又は指導反応を含んでよい。場合によっては、論理プロセッサベースのサブシステムは、入力を許可し入力された値に基づく出力を提供する仮想の計算部又はテーブルを含む。論理プロセッサベースのサブシステムはまた、不正確なセットアップパラメーター又はパラメーターの組合わせに基づく、インテリジェントエージェント対応の結果を含んでよい。論理プロセッサベースのサブシステムはまた、前記論理プロセッサベースのサブシステム（１１０）は更に、前記ユーザーに入力されるべきであった適切なセットアップパラメーター又はパラメーターの組合わせを特定するために、インテリジェントエージェント対応の入力を含んでよい。シミュレータはまたセットアップパラメーター又はパラメーターの組合わせの視覚的、聴覚的又は物理的なインジケーターを備えてよい。前記円周溶接のパスを追跡するために、カメラベースシステムが任意に追加されてよい。カメラシステムは、ファジー理論制御部ベースシステムに基づく経路追跡及び経路決定のシステムを含んでよい。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、ユーザーに対して複数のレベルを有してよく、各レベルはユーザーの熟練度、学習速度及び学習スタイルに適してよい。また、論理プロセッサベースのサブシステムは、問題を検出し修正し回復するユーザーの能力を試験するための、人工知能ベースの障害命令を含んでよい。多言語機能も、本考案の任意の態様である。本考案の更なる実施形態及び特徴は、後続の説明、請求の範囲及び図面に示される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】シミュレータを用いた仮想溶接作業に従事するエンドユーザーオペレーターを示す斜視図である。
【図２】シミュレータの正面図である。
【図３ａ】パイプ溶接姿勢を示す図である。
【図３ｂ】プレート溶接姿勢を示す図である。
【図４】シミュレータの表現を示す例示的な概略ブロック図である。
【図５】疑似溶接ツールの側面斜視図である。
【図６】溶接ユーザーインターフェースの近接図である。
【図６ａ】監視者表示装置の近接図である。
【図７ａ】カスタマイズされた表示装置の斜視図である。
【図７ｂ】エンドユーザーにより装着された状態のカスタマイズされた表示装置の斜視図である。
【図７ｃ】溶接ヘルメットに取り付けられた状態のカスタマイズされた表示装置の斜視図である。
【図８】空間追跡部の斜視図である。
【図９】溶接クーポンを保持するスタンドの斜視図である。
【図９ａ】パイプ溶接クーポンの斜視図である。
【図９ｂ】スタンドに取り付けられた状態のパイプ溶接クーポンの斜視図である。
【図１０】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例示的実施形態を示す図である。
【図１１】論理プロセッサベースのサブシステムのグラフィックス・プロセシング・ユニット（ＧＰＵ）のブロック図の例示的実施形態を示す図である。
【図１２】シミュレータの機能ブロック図の例示的実施形態を示す図である。
【図１３】仮想現実訓練システムを用いた訓練の方法の実施形態のフローチャートである。
【図１４Ａ】溶接ピクセル（welding  pixel；ｗｅｘｅｌ）変位マップの概念を示す図である。
【図１４Ｂ】溶接ピクセル（welding  pixel：ｗｅｘｅｌ）変位マップの概念を示す図である。
【図１５】シミュレータでシミュレートされた平板溶接クーポンのクーポン空間及び溶接空間の例示的実施形態を示す図である。
【図１６】シミュレータでシミュレートされる角溶接クーポンのクーポン空間及び溶接空間の例示的実施形態を示す図である。
【図１７】シミュレータでシミュレートされたパイプ溶接クーポンのクーポン空間及び溶接空間の例示的実施形態を示す図である。
【図１８】パイプ溶接クーポンの例示的実施形態を示す図である。
【図１９Ａ】シミュレータのデュアル変位パドルモデルの概念の例示的実施形態を示す図である。
【図１９Ｂ】シミュレータのデュアル変位パドルモデルの概念の例示的実施形態を示す図である。
【図１９Ｃ】シミュレータのデュアル変位パドルモデルの概念の例示的実施形態を示す図である。
【図２０】円周溶接環境として用いられる円周溶接システムの例示的実施形態を示す図である。
【図２１】図２０に示す円周溶接システムと共に用いられる溶接トラクターを示す図である。
【図２２】図２０に示す円周溶接システムの電源及び制御部を示す図である。
【図２３】図２０に示す円周溶接システムと共に用いられるペンダントを示す図である。
【考案を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照する。図面に示すものは本考案の実施形態の説明を目的としているに過ぎず、本考案の実施形態を限定するものではない。図１及び図２は、溶接をシミュレートするシステムを一般に参照符号１０で示し、本明細書ではシミュレータ１０又はシステム１０と呼ぶ。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、実世界の溶接環境に類似する溶接環境を描写してよく、仮想現実アーク溶接（virtual  reality  arc  welding；ＶＲＡＷ）として既知であってよい。仮想環境１５内において、シミュレータ１０は、１又は複数のエンドユーザー１２とのインタラクションを円滑にする。入力装置１５５が設けられ、エンドユーザー１２が実世界の作業に従事できるようにする。そのような実世界の作業は、シミュレータ１０により追跡され仮想の作業に変換される。よって、仮想環境１５はインタラクティブ仮想溶接環境１５を備える。表示装置２００が設けられ、仮想環境１５及びエンドユーザー１２の作業への視覚的アクセスを提供する。一実施形態では、シミュレータ１０は、複数のエンドユーザー１２又は他の監視者により視認可能な表示画面１５０を有してよい。更に、シミュレータ１０は、単一のエンドユーザー１２による使用に適した、カスタマイズされた表示部１４０を有してよい。エンドユーザー１２は、訓練生ユーザー１２ａであっても指導者ユーザー１２ｂであってもよい。なお、実世界でのエンドユーザー１２の作業は仮想溶接作業に変換され、１又は複数の表示部１４０，１５０においてリアルタイムで視認される。本明細書で用いられる場合、「リアルタイム」という表現は、エンドユーザー１２が実世界の環境で遅延なく知覚し経験し得るのと同じように、仮想環境で遅延なく知覚し経験することを意味する。
【０００９】
インタラクティブ仮想溶接環境１５の生成において、シミュレータ１０は、異なる溶接姿勢における複数の溶接継手に対する１又は複数の溶接プロセスをエミュレートし、更に、複数の継手構成に対する異なる種類の電極の効果をエミュレートする。特定の一実施形態において、シミュレータ１０はインタラクティブ仮想溶接環境１５を生成する。インタラクティブ仮想溶接環境１５は、パイプ溶接及び／又は開ルート継手（open  root  joint）の溶接をエミュレートする。該システムは、リアルタイムの溶融金属の流動性及び熱放射特性を有する溶接パドル（weld  puddle）をシミュレート可能である。シミュレータ１０はまた、仮想溶接作業がどのように溶接継手（例えば、下層の母材）に影響するのかをモデル化することができる。例として、シミュレータ１０は、それぞれ実世界の環境に類似する特性を伴って、ルートパス、ホットパス、後続のフィラーパス及びキャップパスの溶接をエミュレートしてよい。後続の各パスでは、先のパス中になされた母材の変化の結果として、且つ／又は、電極が別に選択される結果として、その前のパスとは著しく異なるように溶接が行われてよい。パドルモデリングのリアルタイムフィードバックにより、エンドユーザー１２は表示部２００で仮想溶接プロセスを監視することができ、仮想の溶接が行われている時にその技術を調整又は維持することができる。監視される仮想指標の例としては、溶接パドルの流れ、溶融パドルのきらめき、パドル凝固中の色変化、パドルの冷却速度、熱放射特性の色のグラデーション、音、ビード形成、ウィービングパターン、スラグ形成、アンダカット、ポロシティ、スパッタ、スラグエントラップメント（entrapment）、オーバーフィル、吹き抜け、閉塞が挙げられる。なお、パドル特性は、エンドユーザー１２の入力装置１５５の動作に依存する（すなわち、対応する）。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とエンドユーザー１２の溶接技術とに基づいて、リアルタイムで形成される実世界の溶接パドルを表現するものである。更に、「ワゴントラック（wagon  track）」は、ＳＭＡＷプロセスを用いたパイプ溶接中に形成されるルートパスの止端に残る溶接欠陥及びスラグの、視覚的な跡である。パイプ溶接における第２のパス（ホットパスと呼ばれる）は、最終的な溶接部においてワゴントラックが除かれるように、ワゴントラックを再溶解できる程度に熱くなくてはならない。また、ワゴントラックは、研削プロセスによって除去されてよい。本考案の実施形態によれば、本明細書に記載のシミュレータ１０において、そのようなワゴントラックとワゴントラックの除去が適切にシミュレートされる。
【００１０】
引き続き図１及び図２に関し、ここで図３ａ及び図３ｂも参照して、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、各姿勢で溶接パドルがどのように反応するかをモデル化してよい。より具体的には、シミュレータ１０は、当該技術分野でそれぞれ５Ｇ、２Ｇ、６Ｇ姿勢と呼ばれる立向姿勢、横向姿勢及び／又は傾斜姿勢でのパイプ溶接をエミュレートしてよい。また、シミュレータ１０は、パイプの回転する横向姿勢に関する１Ｇ姿勢での溶接や、隣接するプレートにおける開先溶接に関連する場合の上向き溶接に関する４Ｇ姿勢での溶接をエミュレートしてよい。他の溶接姿勢が、様々な構成の平板における開ルート継手（open  root  joint）の溶接に関連してよい。なお、後述するモデリング及び解析のエンジンを有するシミュレータ１０は、溶接パドルへの重力の影響を考慮する。したがって、溶接パドルの反応は、例えば、５Ｇ姿勢での溶接パイプと６Ｇ姿勢とでは異なる。上述の例は限定を意図するものではなく、例示である。当業者であれば、任意の溶接継手、溶接姿勢、又は、異なる種類の母材を含む溶接部の種類に上述の例を適用できることが、容易に理解できるであろう。
【００１１】
図２及び図４に関して、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を有する。論理プロセッサベースのサブシステム１１０はプログラマブルであってよく、インタラクティブ仮想溶接環境１５を生成するためのコード化された命令を実行するように動作可能であってよい。シミュレータ１０は更にセンサー及び／又はセンサーシステムを有し、センサー及び／又はセンサーシステムは、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空間追跡部１２０を含んでよい。また、シミュレータ１０は、シミュレータ１０のセットアップ及び制御のために、論理プロセッサベースのサブシステム１１０と通信する溶接ユーザーインターフェース１３０を有する。上述したように、表示装置２００が設けられる。表示装置２００は、顔面装着型表示装置１４０及び監視者表示装置１５０を備えてよく、顔面装着型表示装置１４０及び監視者表示装置１５０は、それぞれ論理プロセッサベースのサブシステム１１０に接続され、インタラクティブ仮想溶接環境１５への視覚的アクセスを提供する。表示装置２００のうち１又は複数は、空間追跡部１２０の位置及び／又は動きに応答して当該装置に表示される画像を変更するために、空間追跡部１２０へ接続されてよい。この点は後述する。
【００１２】
入力装置
図５を参照する。上述したように、シミュレータ１０は、エンドユーザー１２とのインタラクションを円滑にする入力装置１５５を有する。一実施形態では、入力装置１５５は疑似溶接ツール１６０を備える。疑似溶接ツール１６０は、実世界の溶接ツールに似せて形成されてよく、例えば、手動の溶接電極ホルダー又は電極への連続供給を行う溶接ガン、すなわちＭＩＧ、ＦＣＡＷ又はＧＴＡＷ溶接ツールに似せて形成されてよい。また、本考案の実施形態が意図する包含範囲から逸脱することなく、疑似溶接ツール１６０の他の構成が実施されてよい。議論を目的として、手動の溶接電極ホルダー１５６に類似する疑似溶接ツール１６０を用いるという背景で、本考案の実施形態を説明する。疑似溶接ツール１６０は、実世界の溶接ツールに酷似してよい。特定の一実施形態において、疑似溶接ツール１６０は、実世界の溶接ツールと同じ形状、重量及び感触を有してよい。実際、シミュレータ１０は、実際の溶接ツールを用いて実際に本物のアークを作り出すものではないが、ユーザーの手に工具の実際の感触を提供するために、本物の溶接ツールを疑似溶接ツール１６０として用いることができる。この方法では、エンドユーザー１２（訓練生ユーザー１２ａであってよい）は実世界の溶接ツールの扱いに慣れるので、仮想の溶接体験が向上する。しかしながら、疑似溶接ツール１６０は、健全な判断で選択された任意の方法で構成されてよい。
【００１３】
例として、疑似溶接ツール１６０はパイプ溶接用の棒状の溶接ツールをシミュレートし、ホルダー１６１と、ホルダー１６１から延在する模擬棒状電極１６２とを有する。模擬棒状電極１６２は、実世界の環境における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触覚抵抗端１６３を有してよい。エンドユーザー１２が模擬棒状電極１６２をルートから外れて極端に後ろに動かした場合（後に詳述する）、エンドユーザー１２は抵抗が低下したことを感知又は知覚することができ、それによって、現在の溶接プロセスの調整又は維持に用いられるフィードバックを得ることができる。なお、棒状溶接ツールは、仮想の溶接プロセス中に模擬棒状電極１６２を後退させるアクチュエータ（図示なし）を内蔵してよい。すなわち、エンドユーザー１２が仮想溶接作業に従事する時に、ホルダー１６１と模擬棒状電極１６２の先端との距離が短くなって、電極の消耗がシミュレートされる。消耗率、すなわち棒状電極１６２の後退は、論理プロセッサベースのサブシステム１１０によって制御されてよく、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により実行されるコード化された命令によって制御されてよい。また、模擬消耗率は、エンドユーザー１２の技量に依存してよい。なお、シミュレータ１０により、異なる種類の電極を用いた仮想溶接が容易になるので、消耗率すなわち棒状電極１６２の縮小は、用いられる溶接手順及び／又はシミュレータ１０のセットアップによって変更されてよい。
【００１４】
疑似溶接ツール１６０のアクチュエータは、電気的に駆動されてよい。アクチュエータを動作させる電力は、シミュレータ１０から得られてもよく、外部電源から得られてもよく、内蔵電池から得られてもよい。一実施形態では、アクチュエータは、電動機等の伝導装置であってよい。また、任意のタイプのアクチュエータ又は任意の形態の原動力が用いられてよく、例えば、電磁アクチュエータ、空気圧式アクチュエータ、機械的アクチュエータ又はばね荷重アクチュエータが任意の組合わせで用いられてよい。
【００１５】
上述したように、疑似溶接ツール１６０は、シミュレータ１０とインタラクションを行うために、空間追跡部と連動して動作してよい。具体的には、空間追跡部１２０により、疑似溶接ツール１６０の位置及び／又は向きがリアルタイムで監視され、追跡されてよい。したがって、位置及び向きを表すデータは、論理プロセッサベースのサブシステム１１０に伝送され、仮想溶接環境１５とのインタラクションに適宜用いられるように変更又は変換されてよい。
【００１６】
空間追跡部
図８に、空間追跡部１２０の例を示す。空間追跡部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されてよい。一実施形態では、空間追跡部１２０は、疑似溶接ツール１６０を磁気的に追跡してよい。すなわち、空間追跡部は磁気エンベロープを生成し、磁気エンベロープは、位置及び向きだけでなく、速度及び／又は速度変化を判定するのに用いられる。これに応じて、空間追跡部１２０は、磁気源１２１とソースケーブル、１又は複数のセンサー１２２、ディスク１２３上のホストソフトウェア、電源１２４、ＵＳＢケーブルとＲＳ−２３２ケーブル１２５、プロセッサ追跡部１２６及び他の関連ケーブルを有する。磁気源１２１は、ケーブルを介してプロセッサ追跡部１２６に動作可能に接続可能であり、センサー１２２も同様である。電源１２４もまた、ケーブルを介してプロセッサ追跡部１２６に動作可能に接続可能である。プロセッサ追跡部１２６は、ＵＳＢケーブル又は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に操作可能に接続可能である。ディスク１２３上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にロードされてよく、空間追跡部１２０と論理プロセッサベースのサブシステム１１０との機能的な通信を許可する。
【００１７】
磁気源１２１は、自身の周りに磁界（すなわち磁気エンベロープ）を形成し、エンドユーザー１２の作業をシミュレータ１０とのインタラクションのために追跡することができる３次元空間を定める。エンベロープにより、空間的な基準系が定められる。エンベロープ内で用いられる物体、例えば疑似溶接ツール１６０やクーポンスタンド（後述する）は、磁気源１２１により形成される磁界を歪めないように、非金属材料、すなわち非鉄材料又は非導電材料から成ってよい。センサー１２２は、交差する空間方向に配置される複数の誘導コイルを有してよく、当該複数の誘導コイルは、実質的に直交するように配置されてよい。誘導コイルは、３方向それぞれについて磁界の強度を測定し、情報をプロセッサ追跡部１２６に提供する。一実施形態では、センサー１２２は疑似溶接ツール１６０に取り付けられてよく、これにより、疑似溶接ツール１６０を、位置と向きの両方について、空間基準系に関して追跡することができる。より具体的には、誘導コイルは、電極１６２の先端に搭載されてよい。このようにして、シミュレータ１０は３次元エンベロープ内のどこに疑似溶接ツール１６０が位置付けられるかを判定することができる。追加的なセンサー１２２が設けられてよく、１又は複数の表示装置２００に動作可能に取り付けられてよい。それに応じて、シミュレータ１０はセンサーデータを用いて、エンドユーザー１２の動きに応じてエンドユーザー１２により視認される表示を変更してよい。このようなものとして、シミュレータ１０は、仮想溶接環境１５へ変換するための実世界におけるエンドユーザー１２の作業を、キャプチャし追跡する。
【００１８】
本考案の代替の実施形態によれば、センサー１２２は、プロセッサ追跡部１２６と無線でインターフェースされてよく、プロセッサ追跡部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されてよい。本考案の代替の実施形態によれば、シミュレータ１０では、他のタイプの空間追跡部１２０が用いられてよく、例えば、加速度計／ジャイロスコープベースの追跡装置、光学追跡装置、赤外線追跡装置、音響追跡装置、レーザー追跡装置、無線周波数追跡装置、慣性追跡装置、アクティブ又はパッシブの光学追跡装置、拡張現実ベースの追跡技術が用いられてよい。また、本考案の実施形態が意図する包含範囲から逸脱することなく、他のタイプの追跡装置を用いることができる。
【００１９】
表示装置
図７ａを参照して、顔面装着型表示装置１４０の例を説明する。顔面装着型表示装置１４０は、図７ｃに示すように溶接ヘルメット９００に組み込まれてよく、或いは、図７ｂに示すように別々に搭載されてよい。顔面装着型表示装置１４０は、２Ｄの流体フルモーションビデオモード及びフレームシーケンシャル・ビデオモードを供給可能な、２つの高コントラストＳＶＧＡ  ３Ｄ  ＯＬＥＤ超小型表示装置を有してよい。仮想溶接環境１５からの仮想の画像（例えばビデオ）は、顔面装着型表示装置１４０に提供され表示される。本考案の一実施形態では、論理プロセッサベースのサブシステム１１０が立体ビデオを顔面装着型表示装置１４０に提供し、ユーザーの奥行き知覚を高める。立体画像は論理プロセシングユニットにより生成されてよく、当該論理プロセシングユニットは後述のグラフィックス・プロセシング・ユニットであってよい。また、ズーム（例えば２ｘ）モードを設け、ユーザーが疑似プレートをシミュレートできるようにしてよい。顔面装着型表示装置１４０は、有線手段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及び空間追跡部１２０に動作可能に接続する。空間追跡部１２０のセンサー１２２は、顔面装着型表示装置１４０に取り付けられても、溶接ヘルメット９００に取り付けられてもよく、これにより顔面装着型表示装置１４０を、空間追跡部１２０により作り出される３Ｄ空間基準系に関して追跡することができる。このように、溶接ヘルメット９００の動きに応答して、３次元の仮想現実環境でエンドユーザー１２により視認される画像が変化する。
【００２０】
顔面装着型表示装置１４０はまた、後述するように、監視者表示装置１５０のメニュー項目に類似するメニュー項目を呼び出し表示するように機能してよい。こうして、エンドユーザーは結果として、疑似溶接ツール１６０の制御手段（ボタン、スイッチ等）を用いて、メニューから選択肢を選択し起動することができる。よってユーザーは、例えば、ミスをした時に簡単に溶接をリセットしたり、一部のパラメーターを変更したり、前に戻ってビード軌跡の一部をやり直したりすることができる。
【００２１】
顔面装着型表示装置１４０は更にスピーカー９１０を有してよく、シミュレータ１０により生成される溶接関連の模擬環境音響をユーザーが聞けるようにしてよい。音響コンテンツ機能及び溶接音響は特定のタイプの溶接音響を提供し、当該溶接音響は、一部の溶接パラメーターが許容範囲内にあるか許容範囲外であるかによって変化する。音響は、様々な溶接プロセス及びパラメーターに合わせられる。例えば、ＭＩＧスプレーアーク溶接プロセスでは、ユーザーが疑似溶接ツール１６０を正しく位置付けていない場合はパチパチという音響が提供され、疑似溶接ツール１６０が正しく位置付けられている場合はシューという音響が提供される。短絡アーク溶接プロセスでは、アンダカットが発生している場合に、シューという音響が提供される。このような音響は、実世界の正しい溶接技術と不正確な溶接技術とに対応する音響を模倣する。
【００２２】
高忠実度の音響コンテンツは、様々な電子的手段及び機械的手段を用いて、実世界における実際の溶接の記録から取得されてよい。音響が知覚される音量及び向きは、疑似溶接ツール１６０と溶接クーポン１７５との間の模擬アークに対するエンドユーザーの頭部（すなわち顔面装着型表示装置１４０）の位置、向き及び距離によって、変更される。音響はスピーカー９１０を介してユーザーに提供されてよく、スピーカー９１０は、イヤホン型スピーカー等の任意のタイプのスピーカーであってよく、或いは音響発生装置であってよい。スピーカー９１０は、顔面装着型表示装置１４０に搭載されてよく、或いは、コンソール１３５及び／又はスタンド１７０に搭載されてよい。更に、仮想溶接作業に従事しているエンドユーザー１２に音響を提供する任意の方式が選択されてよい。なお、他のタイプの音響情報がスピーカー９１０を介して伝達されてよい。例として指導者ユーザー１２ｂからの口頭指示が挙げられ、リアルタイムの指示であっても予め録音されたメッセージであってもよい。予め録音されたメッセージは、特定の仮想溶接作業により自動的にトリガされてよい。リアルタイムの命令は、現場で生成されても遠隔地で生成されてもよい。更に、任意のタイプのメッセージ又は命令がエンドユーザー１２に伝達されてよい。
【００２３】
コンソール
図２、図６及び図７に関して、シミュレータ１０は、シミュレータ１０の１又は複数のコンポーネントを収容するコンソール１３５を有してよい。一実施形態では、コンソール１３５は、溶接電源に似せて構成されてよい。すなわち、コンソール１３５の形状及びサイズは、実世界の装置の形状及びサイズに対応してよい。シミュレータ１０の操作は、溶接ユーザーインターフェース１３０により円滑にすることができる。溶接ユーザーインターフェース１３０は、溶接電源のノブ、ダイヤル及び／又はスイッチ１３３，１３４に似せて構成されてよい。シミュレータ１０は更に表示部を有してく、当該表示部は表示装置２００であってよい。シミュレータ１０にインストールされるコード化された命令（すなわちソフトウェア）は、命令及び／又はメニュー項目を表示画面２００に表示することにより、エンドユーザー１２のシミュレータ１０とのインタラクションを指示してよい。シミュレータ１０とのインタラクションには、管理作業やシミュレーションのセットアップ及び起動に関する機能が含まれてよい。これには、特定の溶接プロセス及び電極タイプの選択、並びに、溶接位置等の部分的なセットアップを含んでよい。溶接ユーザーインターフェース１３０を用いてなされた選択は、表示装置２００に反映されてよい。
【００２４】
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の例示的実施形態を示す。溶接ユーザーインターフェース１３０は、シミュレータ１０のセットアップ及び操作に用いられるユーザー選択肢１５３に対応する一連のボタン１３１を有してよい。ボタン１３１は、表示装置２００に表示されるユーザー選択肢１５３の色に対応するように色付けされてよい。ボタン１３１のうちひとつが押されると、論理プロセッサベースのサブシステム１１０に信号が送られて、対応する機能が起動される。溶接ユーザーインターフェース１３０はまた、ユーザーが表示装置２００に表示される各種パラメーター及び選択肢を選択する際に使用可能なジョイスティック１３２を有してよい。溶接ユーザーインターフェース１３０は更に、ダイヤル又はノブ１３３を有する。ダイヤル又はノブ１３３は、例示的な方式において、ワイヤ供給速度／アンペアの調整に用いられてよく、別のダイヤル又はノブ１３４は、ボルト／トリムの調節に用いられてよい。溶接ユーザーインターフェース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を有する。本考案の実施形態によれば、フラックス入りワイヤアーク溶接（ＦＣＡＷ）、ガスシールドアーク溶接（ＧＭＡＷ）及び被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）の３つのアーク溶接プロセスが選択可能である。溶接ユーザーインターフェース１３０は更に、溶接極性を選択するためのダイヤル又はノブ１３７を有する。本考案の実施形態によれば、交流（ＡＣ）、正の直流（ＤＣ＋）及び負の直流（ＤＣ−）の３つのアーク溶接極性が選択可能である。更に、本考案の実施形態が意図する包含範囲から逸脱することなく、シミュレータ１０には他の溶接プロセス及びセットアップ機能が組み込まれてよく、例えばＴＩＧ溶接が組み込まれてよい。上記から容易に分かるように、シミュレータ１０のセットアップは実世界の装置のセットアップに類似する。
【００２５】
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）により、ユーザーは、監視者表示装置１５０を介して確認可能に、溶接ユーザーインターフェース１３０のジョイスティック１３２を用いて、溶接シナリオをセットアップすることができる。溶接シナリオのセットアップには、言語の選択、エンドユーザー名の入力、練習用プレート（溶接クーポン、Ｔ形プレート、平板等）の選択、溶接プロセス（ＦＣＡＷ、ＧＭＡＷ、ＳＭＡＷ、ＴＩＧ等）と関連するアキシャル溶射、パルス又は短絡アーク移行モードの選択、ガス種類及び流量の選択、棒状電極の種類の選択（Ｅ６０１０、Ｅ７０１８等）、フラックス入りワイヤの種類の選択（セルフシールド、ガスシールド等）が含まれてよい。また、溶接シナリオのセットアップは、後述するクーポンスタンド１７０のセットアップを含んでよい。溶接シナリオのセットアップは更に、環境（例えば、仮想現実空間の背景環境）の選択と、ワイヤ送給速度の設定と、電圧レベルの設定と、極性の選択と、特定の視覚的合図のオンオフとを含む。なお、一実施形態では、シミュレータ１０に、選択されたプロセスに関する適切な設定が適切に入力されるまで所与の溶接シナリオの動作を阻止する制限が組み込まれてよく、当該制限はソフトウェア制限であってよい。このように、訓練生ユーザー１２ａは仮想の溶接シナリオをセットアップすることにより、実世界の溶接環境の適切な範囲を学習し習得する。
【００２６】
それに応じて、表示装置２００は、メニュー、アクション、視覚的合図、新しいクーポンセットアップ及び採点を含むエンドユーザー選択肢１５３に対応する作業を反映する。これらのユーザー選択肢は、コンソール１３５上のユーザーボタンに関連付けられてよい。ユーザーが表示装置２００を介して各種選択を行う場合、選択された情報と他の選択肢をユーザーに提供するように表示される内容が変化してよい。しかしながら、表示装置２００（監視者表示装置１５０であってよい）は、シミュレータ１０を操作中の（すなわち、仮想溶接作業に従事している）エンドユーザー１２により視認される仮想の画像を表示するという別の機能を有してよい。表示装置２００は、エンドユーザー１２により視認されるのと同じ画像を表示するようにセットアップされてよい。或いは、表示装置２００は、仮想の溶接作業の異なる画像又は異なる透視図を表示するように用いられてよい。
【００２７】
一実施形態では、表示装置１５０，２００を用いて、図１０に示すデータ記憶装置３００に電子的に保存された仮想溶接作業が再生されてよい。エンドユーザー１２の仮想溶接作業を表すデータは再生及び復習のために格納されてよく、また、目標達成のためにダウンロードされて、且つ／又は、リアルタイムの検討及び評価のために遠隔地に送信されてよい。仮想溶接作業の再生において、例えば溶接パドル流動性、移動速度、断続状態１５２（隅肉サイズ不良、ビード配置不良、ビード凹み、余盛り、アンダカット、ポロシティ、融合不良、スラグ巻込み、過剰スパッタ、溶け落ち等）といった詳細が表現されてよい。また、許容差角度からの逸脱の結果であるアンダカットが表示されてよい。更に、アークが溶接部から離れすぎることにより生じるポロシティが表示されてよい。このように、シミュレータ１０は、特定の仮想溶接作業の一部又は全部を再生し、エンドユーザーの作業に直接関係する閉塞や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。
【００２８】
図６ａに関して、シミュレータ１０はまた、仮想溶接作業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り、シミュレータ１０は、溶接パス中のいつ、溶接継手のどこで、エンドユーザー１２が溶接プロセスの許容限度から外れたかを判定することができる。得点は、エンドユーザー１２の実績によるものであってよい。一実施形態では、得点は、疑似溶接ツール１６０の位置、向き及び速度の許容差範囲における変位に応じるものであってよく、当該許容差範囲は、理想的な溶接パスから辺縁の（すなわち許容されない）溶接作業に至ってよい。エンドユーザー１２の実績の採点用に選択されたのであれば、どのような範囲勾配でもシミュレータ１０に組み込まれてよい。採点は、数字又は英数字で表示されてよい。更に、エンドユーザー１２の実績は、時間及び／又は溶接継手上の位置に関して疑似溶接ツールが溶接継手にどの程度接近して通過したのかを示すグラフで、表示されてよい。移動角度、作業角度、速度、溶接継手からの距離等のパラメーターが計測され得るものの例として挙げられるが、任意のパラメーターが採点目的で分析されてよい。パラメーターの許容差範囲は実世界の溶接データから取得され、これにより、エンドユーザーの実世界での実績がどの程度になるのかについて、的確なフィードバックが提供される。別の実施形態では、エンドユーザー１２の実績に対応する欠陥の分析が組み込まれてよく、表示装置１５０，２００に表示されてよい。この実施形態では、仮想溶接作業中にモニタリングされる各種パラメーターの計測からどのような種類の不連続性が生じたかを示すグラフが示されてよい。表示装置２００では閉塞が視認できない可能性がある一方、エンドユーザー１２の実績の結果として更なる欠陥が生じた可能性がある。そのような欠陥の結果は、それに対応して更に表示（すなわちグラフ化）されてよい。
【００２９】
表示装置２００はまた、エンドユーザー１２の訓練に使用される個別指導情報の表示に用いられてよい。個別指導情報の例としては命令が挙げられ、当該命令は、ビデオ又は写真として図で表示されてよい。更に、命令は、上述したようにオーディオ形式で書込み又は提示が行われてよい。このような情報は、データ記憶装置３００に格納され保持されてよい。一実施形態では、シミュレータ１０は、位置、作業のこつ、溶接角度、移動角度及び移動速度を含む各種溶接パラメーター１５１（本明細書では視覚的合図と呼ぶ）を提示する仮想の溶接場面を表示することができる。
【００３０】
一実施形態では、遠隔通信を用いて、同様の構成又は異なる構成のデバイス（すなわちシミュレータ）から作業するオフサイトの人員（すなわち遠隔ユーザー）により、仮想の命令が提供されてよい。仮想の溶接プロセスの描写は、ネットワーク接続を介して達成されてよく、例えば、インターネット、ＬＡＮ等のデータ伝送手段によって達成されてよい。特定の溶接を表すデータ（性能変数を含む）は、仮想の画像及び／又は溶接データを表示可能な別のシステムに送られてよい。なお、伝送されるデータは、遠隔ユーザーが溶接者の実績を分析できる程度に十分に詳細である。遠隔システムに送られるデータを用いて仮想溶接環境が生成されてよく、これにより、特定の溶接プロセスが再現される。更に、本考案の実施形態が意図する包含範囲から逸脱することなく、実績データ又は仮想溶接作業を別の装置に伝達する任意の方法を実施されてよい。
【００３１】
溶接クーポン
図１、図９ａ及び図９ｂに関して、シミュレータ１０は、並列されて溶接継手１７６を形成する管材に類似する溶接クーポン１７５を含んでよい。溶接クーポン１７５は、仮想溶接作業に従事しているエンドユーザー１２のガイドとして、シミュレータ１０と連動して動作してよい。複数の溶接クーポン１７５が用いられてよく、すなわち、所与の仮想溶接作業サイクルでの使用において好感されてよい。溶接クーポンの種類には、例えば、円筒管材、弓上の管切片、平板、Ｔ形プレートの溶接継手が挙げられる。一実施形態では、各溶接クーポンには、開ルート継手（open  root  joint）又は開先（groove）が組み込まれてよい。しかしながら、本考案の実施形態が意図する包含範囲から逸脱することなく、溶接継手の任意の構成が溶接クーポンに組み込まれてよい。
【００３２】
溶接クーポン１７５の寸法は違いがあってよい。円筒管材について、内径は１．５インチ（内径）〜１８インチ（内径）の範囲であってよい。特定の一実施形態において、内径の範囲は１８インチを超えてよい。別の実施形態において、弓状管切片の固有半径は、１．５インチ（内径）〜１８インチ（内径）の範囲であってよく、また、１８インチ（内径）を超えてよい。更に、任意の内径の溶接クーポン１７５が用いられてよく、１．５インチより小さいものでも１８インチを超えるものでもよい。実際には、溶接クーポン１７５（又は溶接クーポン１７５）が空間追跡部１２０により生成されるエンベロープ内に収まれば、どのようなサイズの溶接クーポン１７５でも用いることができる。同様に、平板は長さが１８インチ以上であってよい。更に、当然ながら、溶接クーポン１７５の最大寸法限度は、空間追跡部１２０により生成される検知フィールドのサイズ及び強度と、検知フィールドが溶接クーポン１７５に関して位置付けられる能力とによってのみ、制約される。このような変形は全て、本考案の実施形態の範囲に包含されるものとする。
【００３３】
上述したように、溶接クーポン１７５は、空間追跡部１２０に干渉しない材料から構成されてよい。磁界を生成する空間追跡部に関して、溶接クーポン１７５は、非鉄材料及び非導電材料から構成されてよい。しかしながら、空間追跡部１２０の種類又は他の選択されるセンサーとの併用に適する材料であれば、どのような材料でも選択可能である。
【００３４】
図９ａ及び図９ｂに関して、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成されてよい。テーブル又はスタンド１７０は、（少なくとも部分的に）溶接クーポン１７５を空間追跡部１２０に関して一定に保持するように機能する。これに応じて、溶接クーポン１７５は、接続部１７７又はコネクタ１７７を有してよい。接続部１７７は、溶接クーポン１７５の一方（図示のように、底部側であってよい）から延在してよく、スタンド１７０に設けられる機械的な連動装置に受けられてよい。当然ながら、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内に生成される仮想の溶接部（すなわちパイプ）に厳密に適合するように、一定である（すなわち再現可能である）必要があってよい。このように、溶接クーポン１７５の位置がどのように変化したかをシミュレータ１０が認識していれば、それに応じて、仮想のカウンターパートに対する調整が行われてよい。例えば、セットアップ中、エンドユーザー１２により、溶接されるパイプのサイズが選択されてよい。それから、エンドユーザー１２により適切な溶接クーポン１７５がスタンド１７０に挿入され、所定位置にロックされてよい。続いて、エンドユーザー１２により、溶接ユーザーインターフェース１３０を介して、所望の溶接位置が選択されてよい。後述するように、シミュレータ１０により認識される溶接位置のうち任意の位置に溶接クーポン１７５を位置付けるために、スタンド１７０は傾けられてよく、或いは調整されてよい。当然ながら、溶接クーポン１７５の位置を調整することにより、空間追跡部１２０の位置も調整される。こうして、溶接クーポン１７５の相対位置が感覚追跡フィールド内に保たれる。
【００３５】
図９は、スタンド１７０の一実施形態を示す。スタンド１７０は、調整可能なテーブル１７１、スタンド基部１７２、調整可能なアーム１７３及び鉛直支柱１７４を有してよい。テーブル１７１及びアーム１７３は、それぞれ鉛直支柱１７４に取り付けられる。テーブル１７１及びアーム１７３は、それぞれ鉛直支柱１７４の高さに沿って調節可能であり、調節には、鉛直支柱１７４に関して上方向の動作、下方向の動作及び／又は回転動作が含まれてよい。アーム１７３は、本明細書に記載の方法と一致する方式で、溶接クーポン１７５の保持に用いられてよい。テーブル１７１は、エンドユーザー１２が使用中にその腕をテーブル１７１上に置けるようにすることにより、エンドユーザー１２を補助してよい。特定の一実施形態において、アーム１７３及びテーブル１７１をどこに位置付けるべきかをユーザーが正しく認識できるように、鉛直支柱１７４には位置情報を用いてインデックスが付される。このような情報も、セットアップ中に溶接ユーザーインターフェース１３０及び表示装置１５０を用いて、シミュレータ１０に入力されてよい。
【００３６】
本考案の代替の実施形態において、テーブル１７１及びアーム１７３の位置は、シミュレータ１０のセットアップ中になされた選択に応じて、自動的に調整される。この実施形態では、溶接ユーザーインターフェース１３０を介してなされた選択は、論理プロセッサベースのサブシステム１１０に伝達されてよい。スタンド１７０に設けられるアクチュエータ及びフィードバックセンサーは、アーム１７３又はテーブル１７１を物理的に動かすことなく溶接クーポン１７５を位置付けるために、論理プロセッサベースのサブシステム１１０により制御されてよい。一実施形態では、アクチュエータ及びフィードバックセンサーは、電気駆動のサーボモーターを備えてよい。しかしながら、スタンド１７０の位置を健全な工学的判断で選択されたように自動的に調整する際に、任意の運動性デバイスが用いられてよい。このように、溶接クーポン１７５をセットアップするプロセスが自動化され、エンドユーザー１２による手動調整の必要がなくなる。
【００３７】
本考案の別の実施形態は、溶接クーポン１７５と連動して用いられるインテリジェントデバイスを用い、これを本明細書において「スマート」クーポン１７５と呼ぶ。この実施形態では、溶接クーポン１７５は当該溶接クーポン１７５についての情報を有するデバイスを有する。当該デバイスは、スタンド１７０によって感知されてよい。具体的には、アーム１７３は、溶接クーポン１７５にあるデバイスに格納されるデータを読み出す検出器を有してよい。例として、センサー（例えばマイクロ電子デバイス）に記号化されたデジタルデータの使用が挙げられ、検出器に近接した場合に無線で読み取られてよい。他の例としては、バーコード等のパッシブデバイスが挙げられる。更に、溶接クーポン１７５についての情報を論理プロセッサベースのサブシステム１１０にインテリジェントに伝達する任意の方法が、健全な工学的判断により選択されてよい。
【００３８】
溶接クーポン１７５に格納されるデータにより、スタンド１７０に挿入された溶接クーポン１７５の種類が、自動的にシミュレータ１０に示されてよい。例えば、２インチの管クーポンは、その内径に関する情報を有してよい。或いは、平板クーポンは、当該クーポン上の溶接継手の種類（開先溶接継手、突合せ溶接継手等）や、その物理的寸法を示す情報を有してよい。このように、溶接クーポン１７５についての情報を用いて、シミュレータ１０のセットアップの、溶接クーポン１７５の選択と設置に関する部分を自動化してよい。
【００３９】
較正機能１２０８（図１２参照）は、実世界空間（３Ｄ基準系）における物理的要素を仮想溶接環境１５における視覚的要素に一致させる機能を提供する。各種溶接クーポン１７５は、工場内で、溶接クーポン１７５をスタンド１７０のアーム１７３に取り付け、溶接クーポン１７５の所定の点１７９（例えば、溶接クーポン１７５上の３つのくぼみ１７９で示される）をスタンド１７０に動作可能に接続される較正スタイラスで触れることにより、較正される。シミュレータ１０は、所定の点１７９において磁界強度を読み取り、位置情報を論理プロセッサベースのサブシステム１１０に提供する。論理プロセッサベースのサブシステム１１０は、当該位置情報を用いて、較正（すなわち、実世界空間から仮想現実空間への変換）を実行する。
【００４０】
したがって、同じ種類の溶接クーポン１７５であればどの部分でも、許容差が非常に小さい再現可能な同じ方法で、スタンド１７０のアーム１７３に挿入される。したがって、特定の種類の溶接クーポン１７５が較正されると、類似するクーポンを繰り返し較正する必要がない。すなわち、特定の種類の溶接クーポン１７５の較正は１回限りのことである。別の言い方をすれば、同じ種類の溶接クーポン１７５は交換可能である。較正により、ユーザーが溶接プロセス中に近くする物理的フィードバックが、仮想現実空間においてユーザーに表示されるものと確実に合うようになり、シミュレーションがよりリアルに見える。例えば、ユーザーが疑似溶接ツール１６０の先端を実際の溶接クーポン１７５の角周辺で滑らせた場合、ユーザーは、先端が実際の角付近で滑るのを感じる際に、仮想溶接クーポンの角周辺で先端が滑るのを表示装置２００上で見ることになる。本考案の実施形態によれば、疑似溶接ツール１６０はまた、予め位置付けられるジグに設置され、当該既知のジグの位置に基づいて、同様の方法で較正されてよい。
【００４１】
本考案の別の実施形態によれば、「スマート」クーポンは、シミュレータ１０が所定の較正点又は「スマート」クーポンの角を追跡できるようにするセンサーを有してよい。センサーは、まさしく当該所定の較正点の場所において、溶接クーポン１７５に搭載されてよい。しかしながら、較正データをシミュレータ１０に伝達する方法は、任意の方法が選択されてよい。これに応じて、シミュレータ１０は、実世界３Ｄ空間のどこに「スマート」クーポンがあるかを継続的に把握する。更に、溶接クーポン１７５を「解除」するためにライセンスキーが提供されてよい。特定の溶接クーポン１７５が購入された場合ライセンスキーが提供され、エンドユーザー１２ａ，１２ｂがシミュレータ１０に当該ライセンスキーを入力することにより、当該特定の溶接クーポン１７５に関連するソフトウェアが解除されてよい。代替の実施形態では、実世界の部品のＣＡＤ図面に基づいて、特別な非標準の溶接クーポンが提供されてよい。
【００４２】
プロセッサベースのシステム
図２、図４及び図１０に関して、上述したよう、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を有する。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の生成に用いられるコード化された命令を実行するプログラマブル電子回路２００を備えてよい。プログラマブル電子回路２００は、１又は複数の論理プロセッサ２０３又は論理プロセッサ系システム２０３を有してよく、論理プロセッサ２０３又は論理プロセッサ系システム２０３は、１又は複数のマイクロプロセッサ２０４を有してよい。特定の一実施形態において、プログラマブル電子回路２００は、後述する中央処理装置（ＣＰＵ）及びグラフィックス・プロセシング・ユニット（ＧＰＵ）を有してよい。追加的な回路の例としては、電子メモリ（すなわちＲＡＭ、ＲＯＭ）や、他の周辺補助回路が挙げられる。なお、電子メモリはＣＰＵとＧＰＵの両方に設けられてよく、それぞれ、本明細書に記載の仮想溶接環境１５のレンダリング用に個別にプログラマブルであってよい。更に、プログラマブル電子回路２００は、ハードディスクドライブ、光学記憶装置、フラッシュメモリ等のデータ記憶装置３００を有してよく、また、利用してよい。更に、シミュレータ１０内のデバイス間又は異なるシミュレータ１０間のデータ伝送を円滑にする他の種類の電子回路が設けられてよい。これには、例えば、１又は複数の入力装置１５５（例えば空間追跡部又はセンサー）からのデータ受信、１又は複数のネットワーク（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ってよい）を介するデータ伝送が含まれてよい。当然ながら、上述の素子及びプロセスは例示的なものであり、限定と解釈されるべきものではない。実際、任意の形態のプログラマブル回路、補助回路、通信回路及び／又はデータストレージが、健全な光学的判断で選択されるように、本考案の実施形態に組み込まれてよい。
【００４３】
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例示的実施形態を示す。論理プロセッサベースのサブシステム１１０は、中央処理装置（ＣＰＵ）１１１と、２つのグラフィックス・プロセシング・ユニット（ＧＰＵ）１１５とを有してよい。２つのＧＰＵ１１５は、プログラム化されて、リアルタイムの溶融金属流動性と吸熱・放熱特性と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してよい。
【００４４】
図１１は、グラフィックス・プロセシング・ユニット（ＧＰＵ）１１５のブロック図を示す。各ＧＰＵ１１５は、データ並列アルゴリズムの実行をサポートする。本考案の実施形態によれば、各ＧＰＵ１１５は、２つの仮想現実表示を提供可能な２つのビデオ出力１１８，１１９を提供する。２つのビデオ出力は、溶接者の視点をレンダリングする顔面装着型表示装置１４０に送られてよく、第３のビデオ出力は、例えば溶接者の視点又は他の視点をレンダリングする監視者表示装置１５０に送られてよい。残りの第４のビデオ出力は、プロジェクター等の、仮想溶接環境１５のシミュレーションに適する任意の他の目的に用いられてよい。両方のＧＰＵ１１５は同じ溶接物理計算を実行してよいが、仮想溶接環境１５のレンダリングは、同じ視点から行っても異なる視点から行ってもよい。ＧＰＵ１１５は、ＣＵＤＡ（Compute  Unified  Device  Architecture）１１６及びシェーダー１１７を有する。ＣＵＤＡ１１６はＧＰＵ１１５の計算エンジンであり、業界標準のプログラム言語を介してソフトウェア開発者が利用可能である。ＣＵＤＡ１１６は並列のコアを有し、本明細書に記載の溶接パドルシミュレーションの物理モデルの動作に用いられる。ＣＰＵ１１１は、リアルタイムの溶接入力データを、ＧＰＵ１１５のＣＵＤＡ１１６に提供する。特定の一実施形態において、シェーダー１１７は、シミュレーションの映像全ての描画及び適用を行うように機能する。ビード及びパドルの映像は、本明細書で後述する溶接ピクセル変位マップの状態によって制御される。本考案の実施形態によれば、物理モデルは、毎秒約３０回の速さで動作し更新される。
【００４５】
図１２は、シミュレータ１０の機能ブロック図の例示的実施形態を示す。シミュレータ１０の各種機能ブロックは、論理プロセッサベースのサブシステム１１０上で動作するソフトウェア命令及びモジュールによって主に実施されてよい。シミュレータ１０の各種機能ブロックには、物理インターフェース１２０１、トーチ・クランプモデル１２０２、環境モデル１２０３、音響コンテンツ機能１２０４、溶接音響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、較正機能１２０８、クーポンモデル１２１０、溶接物理１２１１、内部物理調整ツール（微調整部）１２１２、グラフィカル・ユーザー・インターフェース機能１２１３、グラフ作成機能１２１４、訓練生レポート機能１２１５、レンダラー１２１６、ビードレンダリング１２１７、３Ｄテクスチャ１２１８、視覚的合図機能１２１９、採点・許容差機能１２２０、許容差エディタ１２２１及び特殊効果１２２２が含まれる。
【００４６】
内部アーキテクチャ機能１２０７は、シミュレータ１０のプロセス（ファイルのロード、情報の保持、スレッドの管理、物理モデルの作動、メニューのトリガ等）の高次のソフトウェアロジスティクスを提供する。本考案の実施形態によれば、内部アーキテクチャ機能１２０７は、ＣＰＵ１１１上で動作する。論理プロセッサベースのサブシステムへのリアルタイム入力には、アークの場所、ガンの位置、顔面装着型表示装置又はヘルメットの位置、ガンのオンオフ状態、及び、コンタクト成立状態（contact  made  state）（yes／no）が含まれる。
【００４７】
模擬溶接シナリオにおいて、グラフ作成機能１２１４はユーザー実績パラメーターを収集し、当該ユーザー実績パラメーターを、グラフ形式で（例えば、監視者表示装置１５０に）表示するために、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。空間追跡部１２０からの追跡情報は、グラフ作成機能１２１４に送られる。グラフ作成機能１２１４は、簡易分析モジュール（simple  analysis  module；ＳＡＭ）及びウィッピング・ウィービング分析モジュール（whip／weave  analysis  module；ＷＷＡＭ）を有する。ＳＡＭは、溶接移動角度、移動速度、溶接角度、位置、作業のコツ等のユーザー溶接パラメーターを、ビードテーブルに格納されたデータと比較することにより、ユーザー溶接パラメーターを分析する。ＷＷＡＭは、ダイム間隔、ウィッピング時間、パドル時間等のユーザーウィッピングパラメーターを分析する。また、ＷＷＡＭは、ウィービングの幅、ウィービング間隔、ウィービングのタイミング等のユーザーウィービングパラメーターを分析する。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、グラフ作成において機能的に使用可能なデータに解釈する。ＳＡＭ及びＷＷＡＭにより分析される各パラメーターに関して、許容差エディタ１２２１を用いてビードテーブルに入力される最適な又は理想的な設定点付近のパラメーター限界により、許容差ウィンドウが画定され、採点・許容差機能１２２０が実行される。
【００４８】
許容差エディタ１２２１は、材料使用量、電力使用量及び溶接時間を概算するウェルドメーター（weldometer）を有する。更に、特定のパラメーターが許容差から外れた場合、溶接断絶（すなわち、溶接欠陥）が生じてよい。任意の溶接断絶の状態はグラフ作成機能１２１４によって処理され、グラフィカル・ユーザー・インターフェース機能１２１３を介してグラフ形式で提示される。このような溶接断絶には、隅肉サイズ不良、ビード配置不良、ビード凹み、余盛り、アンダカット、ポロシティ、融合不良、スラグ巻込み及び過剰スパッタが含まれる。本考案の実施形態によれば、断続の程度又は量は、特定のユーザーパラメーターが最適な又は理想的な設定点からどの程度離れているかに依存する。
【００４９】
ユーザーの種類（溶接初心者、溶接熟練者、展示会の人々等）に応じて、異なるパラメーター限度が予め定められてよい。採点・許容差機能１２２０は、特定のパラメーターについてユーザーがどの程度最適点（理想点）に近いかに基づいて、また、溶接部に存在する断絶又は欠陥の程度に基づいて、数字の得点を提供する。採点・許容差機能１２２０からの情報及びグラフィクス機能１２１４からの情報は、訓練生レポート機能１２１５が指導者及び／又は訓練生に対する実績報告を作成する際に用いられてよい。
【００５０】
視覚的合図機能１２１９は、ユーザー顔面装着型表示装置１４０及び／又は監視者表示装置１５０に色及びインジケーターを重ねて表示することにより、ユーザーに緊急のフィードバックを提供する。視覚的合図は、溶接パラメーター（位置、作業のコツ、溶接角度、移動角度、移動速度等）１５１のそれぞれに対して設けられ、所定の限度又は許容差に基づいて、ユーザーの溶接技術の一部が調整されるべきか否かをユーザーに対して視覚的に示す。視覚的合図は、例えばウィッピング・ウィービング技術やビード「ダイム」間隔について提供されてもよい。
【００５１】
本考案の実施形態によれば、仮想現実空間における溶接パドル又は溶融池のシミュレーションは、模擬溶接パドルがリアルタイムの溶融金属の流動性及び熱放射特性を有する場合に達成される。本考案の実施形態によれば、溶接パドルシミュレーションの要には、ＧＰＵ１１５において実行可能な溶接物理機能１２１１（別称、物理モデル）がある。溶接物理機能は、動的な流動性／粘性、固体性、熱勾配（熱吸収及び熱放散）、パドルの跡及びビード形状を正確にモデル化するために、二重変位層技術を利用する。図１４Ａ−１４Ｃを参照して、溶接物理機能をより詳細に説明する。
【００５２】
溶接物理機能１２１１は、ビードレンダリング機能１２１７と通信して、加熱された溶融状態から冷却された凝固状態まであらゆる状態のビードをレンダリングする。ビードレンダリング機能１２１７は、溶接物理機能１２１１からの情報（熱、流動性、変位、ダイム間隔等）を用いて、正確に且つ現実に即して、ビードを仮想現実空間にリアルタイムでレンダリングする。３Ｄテクスチャ機能１２１８は、テクスチャマップをビードレンダリング機能１２１７に提供して、追加のテクスチャ（焦げ、スラグ、グレイン等）を模擬ビードに重ねる。レンダラー機能１２１６は、スパーク、スパッタ、スモーク、アークグロー、ヒューム、一部の断絶（アンダカット、ポロシティ等）等の特殊効果モジュール１２２２からの情報を用いて、様々なパドル非特異的な特性をレンダリングする際に用いられる。
【００５３】
内部物理調整ツール１２１２は、各種溶接物理パラメーターを各種溶接プロセスに合わせて定義し、更新し、変更することができるようにする、微調整ツールである。本考案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ーはＧＰＵ１１５にダウンロードされる。内部物理調整ツール１２１２を介して調整可能なパラメーターの種類には、溶接クーポンに関するパラメーター、溶接クーポンをリセットすることなくプロセスを変更できるようにする（第２のパスを行うことを可能にする）プロセスパラメーター、シミュレーション全体をリセットすることなく変更可能な様々なグローバルパラメーター等の、様々なパラメーターが含まれる。
【００５４】
図１３は、仮想現実訓練シミュレータ１０を用いた訓練の方法１３００の実施形態を示すフローチャートである。ステップ１３１０において、溶接技術に従って疑似溶接ツールを溶接クーポンに対して動かす。ステップ１３２０において、仮想現実システムを用いて、３次元空間内の疑似溶接ツールの位置及び向きを追跡する。ステップ１３３０において、模擬疑似溶接ツールが、模擬疑似溶接ツールから発せられる模擬アーク付近に模擬溶接パドルを形成することにより、模擬溶接クーポンの少なくとも１つの模擬表面に模擬ビード材料を溶着させた時に、仮想現実空間の疑似溶接ツールと溶接クーポンのリアルタイム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表示部を確認する。ステップ１３４０において、模擬溶接パドルのリアルタイムの溶融金属の流動性及び熱放射特性を、表示部で確認する。ステップ１３５０において、模擬溶接パドルのリアルタイムの溶融金属の流動性と熱放射特性の確認に応じて、溶接技術の少なくとも１側面をリアルタイムで修正する。
【００５５】
方法１３００は、ユーザーがどうのようにして、仮想現実空間の溶接パドルを視認し、疑似溶接パドルの様々な特性（リアルタイムの溶融金属流動性（例えば粘度）、熱放射特性等）の視認に応じて自身の溶接技術を修正することができるのかを示す。ユーザーは、リアルタイムのパドルの跡、ダイム間隔等の他の特性を確認し、それらに応答することもできる。溶接パドルの特性を確認し応答するという方法は、実世界で多くの溶接工程において実際に行われる方法である。ＧＰＵ１１５で動作する溶接物理機能１２１１の二重変位層モデリングにより、このようなリアルタイムの溶融金属の流動性及び熱放射特性を正確にモデル化し、ユーザーに提示することができる。例えば、熱放射特性により、凝固時間（すなわち、溶接ピクセルが完全に凝固するまでにどのくらいの時間がかかるのか）が定まる。
【００５６】
更に、ユーザーは、同じ又は異なる（例えば、第２の）疑似溶接ツール、溶接電極及び／又は溶接プロセスを用いて、ビード材料に第２のパスを行うことができる。このような第２のパスシナリオにおいて、擬疑似溶接ツールが、模擬疑似溶接ツールから発せられる模擬アーク付近に第２の模擬溶接パドルを形成することにより、第１の模擬ビード材料と融合する第２の模擬ビード材料を溶着させた時に、シミュレーションにより、模擬疑似溶接ツール、溶接クーポン及び元の模擬ビード材料が仮想現実空間に示される。同様の方法で、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後続のパスが行われてよい。第２又は後続のパスいずれにおいても、本考案の一部の実施形態によれば、前のビード材料と、新しいビード材料と、場合によっては下部のクーポン材料とのうちいずれかの組合わせから、仮想現実空間において新しい溶接パドルが形成されるとき、前のビード材料が溶着中のビード材料と融合する。このような後続のパスは、例えば前のパスにより形成されたビードを修復するために実行されてよく、或いは、パイプ溶接で行われるように、ルートパスの後にヒートパス及び１又は複数のギャップ閉塞パスを含んでよい。本考案の様々な実施形態によれば、母材及びビード材料は、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てよい。
【００５７】
本考案の実施形態によれば、ステンレス鋼材を用いる溶接がリアルタイム仮想環境においてシミュレートされる。ステンレス鋼の溶接部をリアルに表現するために、母材の外観がシミュレートされる。アークの着色に適するように可視スペクトル光を変更するために、視覚効果のシミュレーションが提供される。また、適切な作業距離、イグニッション及び速度に基づいて、リアルな音響がシミュレートされる。熱影響域及びトーチの動きに基づいて、アークパドルの外観及び溶着の外観がシミュレートされる。不純物又は酸化アルミニウム膜又は窒化アルミニウム膜の崩壊粒子（ビード全体に拡散し得る）が提供される。加熱影響域及び冷却影響域に関する計算は、ステンレス鋼の溶接に合わせて調整される。ステンレス鋼ＧＭＡＷ溶接の外観をより厳密且つ正確にシミュレートするために、スパッタに関する断続工程が提供される。
【００５８】
本考案の実施形態によれば、アルミニウム材料を用いる溶接がリアルタイム仮想環境においてシミュレートされる。アルミニウム溶接の外観を実世界のそれと厳密に一致させるために、ビードの跡がシミュレートされる。アルミニウム溶接部をリアルに表現するために、母材の外観がシミュレートされる。アークの着色に適するように可視スペクトル光を変更するために、視覚効果のシミュレーションが提供される。反射を作り出すために、照明が計算される。加熱影響域及び冷却影響域に関する計算は、アルミニウム溶接に合わせて調整される。リアルな「洗浄作業」を作り出すために、酸化がシミュレートされる。また、適切な作業距離、イグニッション及び速度に基づいて、リアルな音響がシミュレートされる。熱影響域及びトーチの動きに基づいて、アークパドルの外観及び溶着の外観がシミュレートされる。リアルで適切な外観を提供するために、アルミニウムワイヤの外観がＧＭＡＷトーチにおいてシミュレートされる。
【００５９】
本考案の実施形態によれば、ＧＴＡＷ溶接がリアルタイム仮想環境においてシミュレートされる。ＧＴＡＷ溶接に関する操作パラメーター（流量、パルス周波数、パルス幅、アーク電圧制御、ＡＣバランス、出力周波数制御等）のシミュレーションが提供される。また、パドル「スプラッシュ（splash）」又はディッピング法と溶接消耗品の溶け落ちとの視覚的表現がシミュレートされる。更に、溶接パドルにおける自溶（溶加材なし）溶接作業と溶加材を用いるＧＴＡＷ溶接作業の表現が、視覚的且つ聴覚的にレンダリングされる。炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、クロムモリブデン鋼等の追加的な溶加材の変形の実装がシミュレートされてよい。溶接中の作業用に、外部のフットペダルの選択可能な実装が提供されてよい。
【００６０】
モデリング用エンジン
図１４ａ及び図１４ｂは、本考案の実施形態に係る、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を有する平板溶接クーポン１４００の側面図を示す。溶接クーポン１４００は、実世界では例えばプラスチック部品として存在し、また、仮想現実空間では模擬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を形成する溶接要素（すなわち「溶接ピクセル」）のグリッド又はアレイに分割された模擬溶接クーポン１４００の上面１４１０の表現を示す。各溶接ピクセル（例えば溶接ピクセル１４２１）は、溶接クーポンの表面１４１０の小部分を定める。溶接ピクセルマップは、表面解像度を定める。各溶接ピクセルには可変のチャネルパラメーター値が割り当てられ、各溶接ピクセルの値が模擬溶接プロセス中に仮想現実溶接空間においてリアルタイムで動的に変化することを可能にする。可変のチャネルパラメーター値は、パドル（Puddle）（溶融金属の流動性／粘度変位）、熱（Heat）（熱吸収／放散）、変位（Displacement）（固体変位）及び追加（Extra）（スラグ、グレイン、焦げ、未処理金属等の様々な追加の状態）といったチャネルに対応する。本明細書では、これらの可変のチャネルPuddle、Heat、Extra、Displacementを、それぞれP、H、Ｅ、Dと称する。
【００６１】
図１５は、図１及び図２のシミュレータ１０でシミュレートされる図１４の平板溶接クーポン１４００のクーポン空間及び溶接空間の例示的実施形態を示す。点Ｏ，Ｘ，Ｙ及びＺは、ローカルの３Ｄクーポン空間を定める。一般に、各クーポン種類は、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、仮想現実の溶接空間にマップされる値の２次元配列である。ユーザーは、図１５に示す点Ｂから点Ｅまでを溶接することになる。図１５では、３Ｄクーポン空間と２Ｄ溶接空間の両方に、点Ｂから点Ｅまでの軌跡線を示す。
【００６２】
各種類のクーポンは、溶接ピクセルマップ内の各場所の変位方向を定める。図１５の平板溶接クーポンに関して、溶接ピクセルマップ内の全ての場所において変位方向は同じである（すなわちＺ方向）。マッピングを明確にするために、溶接ピクセルマップのテクスチャ座標は、３Ｄクーポン空間と２Ｄ溶接空間との両方でＳ，Ｔ（Ｕ，Ｖという場合もある）と示される。溶接ピクセルマップは、溶接クーポン１４００の矩形表面１４１０にマップされ、当該矩形表面１４１０を表現する。
【００６３】
図１６は、シミュレータ１０でシミュレートされる角溶接クーポン１６００のクーポン空間及び溶接空間の例示的実施形態を示す。角溶接クーポン１６００は、３Ｄクーポン空間において２つの面１６１０，１６２０を有し、当該２つの面１６１０，１６２０は、図１６に示すように２Ｄ溶接空間にマップされる。ここでも、点Ｏ，Ｘ，Ｙ及びＺは、ローカルの３Ｄクーポン空間を定める。マッピングを明確にするために、溶接ピクセルマップのテクスチャ座標は、３Ｄクーポン空間と２Ｄ溶接空間との両方でＳ，Ｔと示される。ユーザーは、図１６に示す点Ｂから点Ｅまで溶接することになる。図１６では、３Ｄクーポン空間と２Ｄ溶接空間の両方に、点Ｂから点Ｅまでの軌跡線を示す。しかしながら、変位方向は３Ｄクーポン空間に示されるように線Ｘ’−Ｏ’に向かい、反対側の角に向かう。
【００６４】
図１７は、シミュレータ１０で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例示的実施形態を示す。パイプ溶接クーポン１７００は、２Ｄ溶接空間にマップされる３Ｄクーポン空間において曲面１７１０を有する。ここでも、点Ｏ，Ｘ，Ｙ及びＺは、ローカルの３Ｄクーポン空間を定める。マッピングを明確にするために、溶接ピクセルマップのテクスチャ座標は、３Ｄクーポン空間と２Ｄ溶接空間との両方でＳ，Ｔと示される。エンドユーザー１２は、図１７に示す曲線軌道に沿う点Ｂから点Ｅまでを溶接することになる。３Ｄクーポン空間と２Ｄ溶接空間に、それぞれ軌跡曲線と点Ｂから点Ｅまでの軌跡直線を示す。変位方向は、線Ｙ−Ｏから離れる（すなわち、管の中心から離れる）。図１８は、図１７に示すパイプ溶接クーポン１７００の例示的実施形態を示す。パイプ溶接クーポン１７００は、非鉄で非導電性のプラスチック製であり、一体となってルート継手１７０３を形成する２つのパイプ片１７０１，１７０２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取付具１７０４も図示されている。
【００６５】
テクスチャマップがジオメトリの矩形表面領域にマップされてよいのと同様に、溶接可能な溶接ピクセルマップが溶接クーポンの矩形表面にマップされてよい。溶接可能マップの各要素は、画像の各要素がピクセル（画像素子（picture  element）の略）と称されるのと同じ感覚で、溶接ピクセルと称される。ピクセルは、色（赤、緑、青等）を定める情報のチャネルを含む。溶接ピクセルは、仮想現実空間における溶接可能な表面を定める情報（例えば、P、H、E、D）のチャネルを含む。
【００６６】
本考案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ネルＰＨＥＤ（Puddle、Heat、Extra、Displacement）としてまとめられる。Extraチャネルは、例えば溶接ピクセル位置にスラグがあるか否か等の、溶接ピクセルについての論理的情報を格納する一連のビットとして扱われる。Puddleチャネルは、溶接ピクセル位置における任意の液状金属に関する変位値を格納する。Displacementチャネルは、溶接ピクセル位置における凝固金属に関する変位値を格納する。Heatチャネルは、溶接ピクセル位置における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、ビードに起因する変位、液体金属に起因するちらちら光る表面「パドル」、熱に起因する色等を示すことができる。このような効果は全て、溶接可能な表面に適用される頂点シェーダー及びピクセルシェーダーにより達成される。
【００６７】
本考案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用いられ、粒子は互いに相互作用することができると共に、変位マップに衝突することができる。粒子は仮想の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的にはレンダリングされない（すなわち、視覚的に直接見えない）。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える。溶接ピクセルへのHeat入力は、付近の粒子の動きに影響する。溶接パドルのシミュレーションに関与する変位には、PuddleとDisplacementの２種類がある。Puddleは「一時的」なものであり、粒子と熱が存在する間しか持続しない。Displacementは「持続的」である。Puddle変位は、溶接部の液体金属であり、急速に変化し（例えば、ちらちら光る）、変位の「上」にあると考えることができる。粒子は、仮想の表面変位マップ（すなわち溶接ピクセルマップ）の一部に重なる。Displacementは持続的な固体金属を表し、初めの母材と凝固したビードの両方を含む。
【００６８】
本考案の実施形態によれば、仮想現実空間における模擬溶接プロセスは、以下のように機能する。粒子は、細い円錐状の放射部（模擬疑似溶接ツール１６０の放射部）から流れる。粒子が模擬溶接クーポンの表面に最初に接触する。当該表面は溶接ピクセルマップにより定められる。粒子は他の粒子及び溶接ピクセルマップと相互作用し、リアルタイムで蓄積する。溶接ピクセルが放射部に近いほど、より多くの熱が加えられる。熱は、アーク点からの距離と、アークから熱が加えられる時間とに依存して、モデル化される。一部の映像（色等）は、熱によって駆動される。十分な熱を有する溶接ピクセルに関して、仮想現実空間において溶接パドルが描画又はレンダリングされる。十分に熱ければどこの溶接ピクセルマップでも液体になり、結果として、そのような溶接ピクセル位置に関してパドル変位が「上昇」する。パドル変位は、各溶接ピクセル位置において「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。放射部が溶接軌跡に沿って動くとき、後に残される溶接ピクセル位置は冷える。熱は、特定の速度で溶接ピクセル位置から除去される。冷却位置に達すると、溶接ピクセルマップは凝固する。このように、Puddle変位は徐々にDisplacement（すなわち凝固したビード）に変換される。全体の高さが変わらないように、追加されるDisplacementは除去されるPuddleに等しい。粒子の存続期間は、凝固が完了するまで持続するように微調整又は調整される。シミュレータ１０においてモデル化される粒子特性には、引力／斥力、速度（熱に関する）、減衰（熱放射特性に関する）、方向（重力に関する）が含まれる。
【００６９】
図１９Ａ〜１９Ｃは、シミュレータ１０のデュアル変位（変位及び粒子）パドルモデルの概念の例示的実施形態を示す。溶接クーポンは、少なくとも１つの面を有する仮想現実空間において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。
【００７０】
本明細書に記載される場合、「パドル」は、溶接ピクセルマップの、粒子の存在によってPuddle値が上昇した領域によって定義される。サンプリングプロセスを図１９Ａ〜１９Ｃに表す。溶接ピクセルマップの一部を隣接する７つの溶接ピクセルを有するものとして示す。現在のDisplacement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）の陰影のない矩形バー１９１０によって表される。図１９Ａでは、粒子１９２０が現在のDisplacementレベルに衝突する陰影のない丸い点として示され、積み重ねられている。図１９Ｂでは、「最も高い」粒子の高さ１９３０が各溶接ピクセル位置においてサンプリングされる。図１９Ｃでは、陰影付きの矩形１９４０により、粒子によってどの程度のPuddleがDisplacementの上に追加されたのかが示される。PuddleはHeatに基づいて特定の液化速度で追加されるので、溶接パドル高さはすぐにはサンプリング値に設定されない。図１９Ａ〜１９Ｃには示されていないが、Puddle（陰影付きの矩形）が徐々に縮小し、Displacement（陰影の無い矩形）が下から徐々に伸びてまさにPuddleに取って代わるときに、凝固プロセスを視覚化することが可能である。このように、リアルタイムの溶融金属流動特性が正確にシミュレートされる。ユーザーは、特定の溶接プロセスを練習する際、リアルタイムの溶融金属の流動性と溶接パドルの熱放射特性とを仮想現実空間で観察することができ、これらの情報を用いて、自身の溶接技術の調製又は維持を行うことができる。
【００７１】
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。更に、流動性をモデル化するためにシミュレーションにより生成されるパドル粒子は、本明細書に記載される場合は一時的なものである。したがって、シミュレータ１０を用いた模擬溶接プロセスの間に仮想現実空間で最初のパドルが生成されると、溶接ピクセル数とパドル粒子は、比較的一定に保たれる傾向がある。これは、処理されている溶接ピクセルの数が固定され、溶接プロセス中に存在し処理されているパドル粒子の数が（パドル粒子は同様の速度で生成され「破壊」される（すなわち、パドル粒子は一時的なものである）ために）比較的一定に保たれるからである。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、模擬溶接セッション中は比較的一定に保たれる。
【００７２】
本考案の代替の実施形態によれば、パドル粒子は、溶接クーポンの表面内又は表面下で生成されてよい。このような実施形態では、変位は、未処理（すなわち溶接前の）クーポンの元の表面の変位に関して正又は負であるようにモデル化されてよい。このように、パドル粒子は溶接クーポンの表面に蓄積するだけでなく、溶接クーポンを貫通してもよい。しかしながら、やはり溶接ピクセルの数は固定され、生成されるパドル粒子と破壊されるパドル粒子は比較的一定である。
【００７３】
本考案の代替の実施形態によれば、粒子のモデリングの代わりに、モデルパドルの流動性をモデル化するための更なるチャネルを含む溶接ピクセル変位マップが提供されてよい。或いは、粒子をモデル化する代わりに、高密度ボクセルマップがモデル化されてよい。或いは、溶接ピクセルマップの代わりに、サンプリングされると共に消失しない粒子のみがモデル化されてよい。ただし、このような代替の実施形態では、システムの処理負荷が比較的一定にならない可能性がある。
【００７４】
更に、本考案の実施形態によれば、材料の除去により吹き抜け又はキーホールがシミュレートされる。例えば、ユーザーが同じ場所でアークを維持する時間が長すぎると、実世界では材料が燃え尽きて孔ができてしまう。このような実世界の溶け落ちは、デシメーション技術によりシミュレータ１０でシミュレートされる。溶接ピクセルにより吸収される熱量が高すぎるとシミュレータ１０により判定された場合、当該溶接ピクセルは、燃え尽きたとしてフラグを付けられるか又は指定され、そのようなものとして（例えば、穴として）レンダリングされてよい。しかしながら、その後、最初に燃え尽きた後に材料が加え戻される場合、一部の溶接プロセス（例えば、パイプ溶接）について溶接ピクセル再構成が発生してよい。一般に、シミュレータ１０は、溶接ピクセルデシメーション（材料の除去）及び溶接ピクセル再構成（すなわち、材料の加え戻し）をシミュレートする。
【００７５】
更に、シミュレータ１０では、ルートパス溶接における材料の除去が適切にシミュレートされる。例えば、実世界において、ルートパスでは、後続の溶接パスの前に研削が行われる場合がある。同様に、シミュレータ１０は、仮想溶接継手から材料を除去する研削パスをシミュレートしてよい。当然ながら、除去される材料は、溶接ピクセルマップにおいて負の変位としてモデル化される。すなわち、研削パスにより、シミュレータ１０によってモデル化される材料が除去されると、ビードの輪郭が変更される。研削パスのシミュレーションは自動的であってよい。つまり、シミュレータ１０は所定の厚みの材料を除去するが、これはルートパスビードの表面に対するものであってよい。代替の実施形態において、疑似溶接ツール１６０又は別の入力装置の起動によりオンオフされる実際の研削具すなわちグラインダーがシミュレートされてよい。なお、研削具は、実世界のグラインダーに似せてシミュレートされてよい。この実施形態では、ユーザーはルートパスに沿って研削具を操作して、その動きに応じて材料を除去する。当然ながら、ユーザーが材料を除去し過ぎてしまう場合がある。上述と同様の方法では、ユーザーが材料を「削り取り」過ぎた場合、穴、キーホール等の欠陥（上述した）が生じてよい。また、ユーザーが材料を除去し過ぎるのを防ぐために、或いは材料が除去され過ぎたときを示すために、ハードリミット又はストップが実装（すなわちプログラム化）されてよい。
【００７６】
本考案の実施形態によれば、本明細書に記載の不可視の「パドル」粒子に加えて、シミュレータ１０は、他の３種類の可視粒子を用いてArc（アーク）、Flame（炎）及びSpark（スパーク）の効果を表現してよい。これらの種類の粒子は、他の任意の種類の粒子とは相互作用せず、変位マップのみと相互作用する。これらの粒子は模擬溶接面に衝突するが、互いに相互作用することはしない。本考案の実施形態によれば、Puddle粒子のみが互いに相互作用する。Spark粒子の物理的性質は、Spark粒子が飛び回ると共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。
【００７７】
Arc粒子の物理学的性質は、Arc粒子が模擬クーポン又はビードの表面に当たりしばらく留まるように、設定される。Arc粒子は、仮想現実空間において、大きくて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には、多くのこのようなスポットを重ね合わせる必要がある。最終結果は、青い端部をもつ白く輝く光輪である。
【００７８】
Flame粒子の物理学的性質は、上方にゆっくり上昇するようにモデル化される。Flame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には、多くのこのようなスポットを重ね合わせる必要がある。最終結果は、赤い端をもつ橙赤色の炎のぼんやりしたものであり、上方に上がると共に次第に消える。本考案の実施形態によれば、他の種類の非パドル粒子がシミュレータ１０に実装されてよい。例えば、炎粒子と同様の方法で、煙粒子がモデル化されシミュレートされてよい。
【００７９】
模擬視覚化の最終ステップは、ＧＰＵ１１５のシェーダー１１７により提供される頂点シェーダー及びピクセルシェーダーによって処理される。頂点シェーダー及びピクセルシェーダーは、Puddle及びDisplacement、並びに熱により変更される表面色及び反射率等を加える。ＰＨＥＤ溶接ピクセルフォーマットのExtra（Ｅ）チャネルは、本明細書で上述したように、溶接ピクセルごとに用いられる追加の情報を全て含む。本考案の実施形態によれば、追加の情報は、非未処理ビット（真＝ビード、偽＝未処理スチール）、スラグビット、アンダカット値（この溶接ピクセルにおけるアンダカットの量であり、ゼロはアンダカットがないことに等しい）、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であり、ゼロはポロシティがないことに等しい）、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。未処理スチール、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る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に使用される。これらの画像マップの配合量は、本明細書に記載の様々なフラグ及び値によって制御される。
【００８０】
ビード跡効果は、１Ｄ画像マップと、所与のビードビット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とを用いて、実現される。熱いパドル溶接ピクセル位置がもはや「パドル」と称されるほど熱くなくなると、当該位置において時間が保存され、「ビード跡」と称される。最終結果は、シェーダコードが１Ｄテクスチャマップを用いて、ビードの置かれた方向を表現する独特の外観をビードに与える「さざ波」を描画することができる。本考案の代替の実施形態によれば、シミュレータ１０は、模擬溶接パドルが溶接軌跡に沿って動かされるときに、模擬溶接パドルがリアルタイムで流動状態から凝固状態に移行することに起因するリアルタイムのビード跡特性を有するビードをシミュレートし、仮想現実空間において表示することができる。
【００８１】
本考案の代替の実施形態によれば、シミュレータ１０は、溶接機械を修理する方法をユーザーに教えることができる。例えば、システムのトラブルシューティングモードは、ユーザーがシステムの正しい設定（正しいガス流量、正しい電源コード接続等）を行えるように、ユーザーを訓練してよい。本考案の別の代替実施形態によれば、シミュレータ１０は、溶接セッション（或いは、Ｎフレーム等の、溶接セッションの少なくとも一部）を記録し再生することができる。ビデオフレームのスクロールのためにトラックボールが設けられてよく、これにより、ユーザー又は指導者が溶接セッションを評価できる。更に、再生は選択可能な速度（フルスピード、ハーフスピード、クオータースピード等）で行われてよい。本考案の実施形態によれば、分割画面方式で再生が行われてよく、これにより、例えば監視者表示装置１５０で２つの溶接セッションを並べて確認することができる。例えば、比較を目的として、「下手な」溶接セッションの隣で「良好な」溶接セッションを確認することができる。
【００８２】
自動溶接も、本考案の一態様である。自動溶接の一例は、様々な種類の材料から成る管又はパイプの接合に用いられることが多い円周溶接である。例えば、ＴＩＧ（ＧＴＡＷ）溶接トーチは、自動機械システムにより溶接されるパイプの周りを回るように用いられてよい。図２０は、円周溶接環境で用いられる円周溶接システムの例示的実施形態を示す。円周溶接システムは、パイプ又は管の周りを回る溶接トラクターと、溶接電源及び制御部と、オペレーター制御を提供するペンダントと、を含む。図２１は、図２０の円周溶接システムの溶接トラクター２０１０を、溶接対象の２つのパイプに動作可能に接続されるものとして示す。図２２は、図２０の円周溶接システムの電源及び制御部２０２０を示し、図２３は、図２０の円周溶接システムのペンダント２０３０を示す。
【００８３】
上記はプロセス（円周溶接を含む）の仮想現実シミュレーションに焦点を合わせているが、本考案の実施形態は当該態様に限定されず、ユーザー定義のセットアップに従ってなされた溶接に関連する実際のセットアップ及び実績特性の訓練及びフィードバックの態様を含む。上述のように、ＧＴＡＷ／ＧＭＡＷ溶接では、オペレーターが当該プロセスの練習で利用可能な制御を理解できるようにするための訓練が必要である。機械が溶接を行っているので、円周溶接システムに関連付けられる自動化により訓練の必要がなくなるという誤解がある。自動円周溶接では、ユーザーが溶接と、ＴＩＧビードを制御するための特有のセットアップ及び実施技能の全てを確実に理解できるようにするための訓練が必要である。これには、誤り訂正と、大口径パイプ溶接と、遠隔カメラの利用と、適切な誤り評価及び訂正とが含まれる。訓練プログラムによる指導範囲は、良好な溶接状況を教えたり、悪い溶接状況を教えたり、それぞれに対する実行、反応及び訂正を行う機構を教えたりと、矛盾しているか不十分である。このようなニッチな方法において、十分な経歴及び／又は業界知識と経験をもつ指導者を探すことは困難である。保証された指導者により行われる品質訓練でしか、円周溶接装置のオペレーターは、今日の溶接環境における厳格な許容基準を満たすのに必要とされる複雑な技能を獲得することができない。更に、長い溶接継手を用いる大きな円周の課題では、集中力を維持することの困難さが大きな問題となる。
【００８４】
ＧＴＡＷプロセスでは、非消耗タングステン電極とワークピースとの間に電気アークが維持される。電極はアークの熱を支持し、ワークピースの金属が溶けて溶接パドルを形成する。ワークピースの溶融金属と電極は、大気中の酸素から保護されなくてはならず、一般には、アルゴン等のイナートガスをシールドガスとして用いる。溶加材の添加を用いる場合、フィラーワイヤを溶接パドルに供給することができ、フィラーワイヤは電気アークにより伝達されるエネルギーにより溶ける。本考案の一実施形態によれば、ＧＴＡＷ／ＧＭＡＷ自動溶接工程を確認することと、自動溶接に関連するペンダント（現実の、又は仮想の）又は遠隔制御を使用することと、選択された溶接パラメーターの組合わせに基づいて溶接断絶を特定することと、オペレーターの選択及びパラメーターの組合わせをユーザー画面を用いて修正して、様々なパラメーターの相互作用とそれらの溶接品質に対する影響を、自動溶接に関する適切な用語と視覚要素で理解することと、に関する技術を組み込んだ仮想現実溶接システムが提供される。
【００８５】
仮想環境において円周ＧＴＡＷ訓練を実施することにより、多数の問題が解決可能である。例えば、円周溶接の産業及び経験は開発会社の知識に基づくので、矛盾がなく、最新の技術と利用可能な規格にアップデートされる。アップデートは、仮想環境におけるソフトウェア更新によって容易に行われる。指導者は、プログラムの進行役となり、円周ＧＴＡＷの熟練者である必要がない。追加的な訓練補助（経路追従合図、視覚的オーバーレイ等）により、仮想環境における訓練の移行が改善される。円周ＧＴＡＷ装置は、時代遅れとなる可能性があり、購入する必要がない。仮想現実システムは、一対一の訓練環境でも教室タイプの環境でも使用可能である。
【００８６】
仮想フレームワークの使用により、１つの訓練装置で複数のペンダントをシミュレートすることができる。仮想現実において円周ＧＴＡＷを実施する際、ペンダントを物理的な装置とすることも仮想ペンダントとすることもできる。物理的装置の場合、訓練生は、制御とインタラクションを行い、制御の感覚をつかむことができる。仮想ペンダントの場合、制御はタッチスクリーンで利用可能であると共にインタラクションが行われ、ユーザーは、カスタマイズされたものであれ会社仕様のものであれ、様々なペンダントを容易に選ぶことができる。また、仮想ペンダントは、学習レベル、又は、工業的レベルに基づく利用可能な制御（現場作業経験を反映する）に依存して、訓練生により使用される異なる種類の制御又はレベルを作動することができる。従来の訓練とは異なり、より詳細で複雑な経験をユーザーに提供するランダムな障害（例えばワイヤネスティング）を、装置の損傷や時間のかかるセットアップを伴わずに実施することができる。
【００８７】
学習インタラクションの一部として、継手、準備、材料の種類等に基づく適切な溶接パラメーターの理解がある。実施形態によれば、仮想現実において、なされるべき適切な選択についての知識をユーザーに示すために、理論対応画面が作動されてよい。追加的な画面又はテーブルは、ユーザーに何を入力すべきかについての知識を示すために作動されてよく、また、間違った選択肢が選択された場合に、適切な選択肢を特定すると共に、何が選択されなぜ不適切であるのかを協調するために作動されてよい。このようなインテリジェントエージェントにより、訓練生が間違った操作をすることなく最終結果に不満をもつことがないようにでき、最も重要である前向きな強化と学習が保証される。また、本考案の実施形態は、システム又は指導者がユーザーの知識について小テストを行い、訓練カリキュラムと試験を各ユーザーの盲点に合わせることを可能にする。本考案の実施形態は、必要な領域での指示を支援し、知識を強化し、学習支援を提供するために、人工知能（ＡＩ）及び学習管理システム（ＬＭＳ）を採用する。
【００８８】
セットアップパラメーターには、例えば、イナートガス（アルゴン、ヘリウム等）、アーク点火、溶接電流（例えば、パルス対非パルス）、溶接端部のクレータを防ぐためのダウンスロープ機能、トーチ回転移動速度、ワイヤ供給特性（パルス波形等）、ワイヤ径選択、アーク電圧、電極とワークピースとの距離、溶接オシレーション制御、遠隔制御、一般に組み込まれる閉ループ水冷回路の冷却特性、溶接サイクルプログラミング（しばしば４軸の）等が含まれてよい。
【００８９】
溶接部の検査及び評価は、学習プロセスの別の側面である。訓練生は、溶接点を確認することができ、これらの選択に基づいて正しい点又は悪い点を特定でき、得点を受け取って正しかったか否かを特定することができ、更に、工業規格に基づいて正しい点又は悪い点についての入力を受け取ることができる。これは、更にこのような状況を修正する方法を特定することによって、強化することができる。例えば、（特定される）正しいアンペア数と速度により、溶接部が特定の工業規格に基づく良好な溶接部になる場合がある。
【００９０】
上述のように、仮想現実溶接における入力選択に用いられる、物理的な指導用の吊下型又はハンドヘルドの制御装置が提供されてよい。或いは、仮想現実溶接に関する制御入力選択に用いられる、仮想の指導用吊下型装置が提供されてよい。訓練生の習熟度又は工業的役割に依存するハンドヘルド又は仮想の装置とのインタラクションは、装置側で有効化されてよい。実施形態によれば、学習目的を強化するために、或いは、工業的役割のインタラクションを強化するために、ユーザーに基づく制限制御又はインタラクションが提供されてよい。
【００９１】
ユーザーが適切なセットアップ又はエラー回復を確実に知ることができるように、視覚的、聴覚的、物理的な変化に基づく指導インタラクション又は指導反応が提供されてよい。また、ユーザーが環境的変更又は溶接特異的変更に基づいて必要とされる制御における適切な変更を確実に知ることができるように、視覚的、聴覚的、物理的な変化に基づく指導インタラクション又は指導反応が提供されてよい。入力を許可し入力された値に基づく出力を提供する仮想の計算部又はテーブルが使用可能であってよい。正確な業界標準を強化するために、不正確なセットアップパラメーター又は選択に基づくインテリジェントエージェント対応の結果が提供されてよい。更に、現在の視覚的、聴覚的又は物理的なインジケーターに基づいて、適切な制御入力が何であったかを特定するためのインテリジェントエージェント対応の入力が、提供されてよい。一実施形態によれば、ファジー理論制御部ベースシステムに基づく経路追跡及び経路決定のシステムの構成と共に、カメラベースシステムのシミュレーションが提供されてよい。例えば、２つのカメラ視野がシミュレーション中に動作可能であるようにシミュレーションすることにより、複数のレンダリングが提供されてよい。一実施形態によれば、例えば、ファジー理論に基づき、所望の経路から外れた場合に、アラームが鳴ってよい。模擬ＴＩＧ溶接パドルの視覚化は、ＴＩＧ溶接パドルを適切に視覚化できるほどに小さいピクセルサイズを用いて、提供されてよい。ユーザーに対してより良好に視覚化するために、模擬ＴＩＧ溶接パドルの拡大がシミュレートされてもよい。
【００９２】
ユーザーの技能レベル、学習速度及び学習様式（ＬＭＳに準拠する）に適合する複数のユーザー経験レベルが提供されてよい。また、ユーザーの問題の検出、修正及び回復の能力を試験するために、人工知能（ＡＩ）ベースの障害誘導が提供されてよい。危険な状況、機械のセットアップ及び材料の欠陥のシミュレーションが提供されてよい。また、実施形態によれば、多言語対応のシステムが提供されてよく、これにより、訓練を世界市場に調和させることができる。本考案の実施形態は、２以上のユーザー（複数人）が例えば一部の円周溶接シナリオにおいて仮想の溶接部を生成できるようにする仮想のシミュレーション環境を提供してよい。
【００９３】
まとめると、開示のリアルタイム仮想現実溶接システムは、プログラマブルプロセッサベースのサブシステムと、プログラマブル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る空間追跡部と、空間追跡部により空間的に追跡可能な少なくとも１つの疑似溶接ツールと、プログラマブル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る少なくとも１つの表示装置と、を含む。本システムは、仮想現実空間において、リアルタイムの溶融金属の流動性と熱放射特性とを有する溶接パドルをシミュレートすることができる。本システムは更に、模擬溶接パドルを表示装置にリアルタイムで表示することができる。
【００９４】
本明細書では、開示の実施形態を参照して本考案を説明した。当然ながら、本明細書を読んで理解すれば、変更及び変形が想到されるであろう。添付の実用新案登録請求の範囲又はその均等物に入る限りにおいて、本明細書はそのような変更及び変形を包含するものとする。
【符号の説明】
【００９５】
１０  シミュレータ
１２  エンドユーザー
１２ａ  訓練生ユーザー
１２ｂ  指導者ユーザー
１５  環境
１１０  プロセッサベースのサブシステム
１１１  中央処理装置（ＣＰＵ）
１１５  グラフィックス・プロセシング・ユニット（ＧＰＵ）
１１６  ＣＵＤＡ（Compute  Unified  Device  Architecture）
１１７  シェーダー
１１８  ビデオ出力
１１９  ビデオ出力
１２０  空間追跡部
１２１  磁気源
１２２  センサー
１２３  ディスク
１２４  電源
１２５  ケーブル
１２６  追跡部
１３０  ユーザーインターフェース
１３１  ボタン
１３２  ジョイスティック
１３３  ダイヤル及び／又はスイッチ
１３４  ダイヤル及び／又はスイッチ
１３５  コンソール
１３６  ノブ（微調整部）
１３７  ノブ
１４０  カスタマイズされた表示部
１５０  表示画面
１５１  溶接パラメーター
１５２  断続状態
１５５  入力装置
１５６  電極ホルダー
１６０  溶接ツール
１６１  ホルダー
１６２  疑似棒状電極
１７０  スタンド
１７１  テーブル
１７２  スタンド基部
１７３  調整可能なアーム
１７４  鉛直支柱
１７５  溶接クーポン
１７６  溶接継手
１７７  接続部
１７９  所定の点
２００  表示装置
２０３  論理プロセッサ
２０４  マイクロプロセッサ
３００  記憶装置
９００  溶接ヘルメット
９１０  スピーカー
１２０１  物理インターフェース
１２０２  クランプモデル
１２０３  環境モデル
１２０４  音響コンテンツ機能
１２０５  溶接音響
１２０６  スタンド／テーブルモデル
１２０７  内部アーキテクチャ機能
１２０８  較正機能
１２１０  クーポンモデル
１２１１  溶接物理
１２１２  内部物理調整ツール
１２１３  グラフィカル・ユーザー・インターフェース機能
１２１４  グラフ作成機能
１２１５  訓練生レポート機能
１２１６  レンダラー―
１２１７  ビードレンダリング
１２１８  ３Ｄテクスチャ
１２１９  視覚的合図機能
１２２０  採点・許容差機能
１２２１  許容差エディタ
１２２２  特殊効果
１３００  方法
１３１０  ステップ
１３２０  ステップ
１３３０  ステップ
１３４０  ステップ
１３５０  ステップ
１４００  溶接クーポン
１４１０  上面
１４２０  溶接ピクセルマップ
１４２１  溶接ピクセル
１６００  溶接クーポン
１６１０  表面
１６２０  表面
１７００  溶接クーポン
１７０１  パイプ片
１７０２  パイプ片
１７０３  ルート継手
１７０４  取付具
１７１０  表面
１９１０  矩形バー
１９２０  粒子
１９３０  粒子の高さ
１９４０  陰影付き矩形
【図１】
0003201785.tif 000003
【図２】
0003201785.tif 000004
【図３ａ】
0003201785.tif 000005
【図３ｂ】
0003201785.tif 000006
【図４】
0003201785.tif 000007
【図５】
0003201785.tif 000008
【図６】
0003201785.tif 000009
【図６ａ】
0003201785.tif 000010
【図７ａ】
0003201785.tif 000011
【図７ｂ】
0003201785.tif 000012
【図７ｃ】
0003201785.tif 000013
【図８】
0003201785.tif 000014
【図９】
0003201785.tif 000015
【図９ａ】
0003201785.tif 000016
【図９ｂ】
0003201785.tif 000017
【図１０】
0003201785.tif 000018
【図１１】
0003201785.tif 000019
【図１２】
0003201785.tif 000020
【図１３】
0003201785.tif 000021
【図１４Ａ】
0003201785.tif 000022
【図１４Ｂ】
0003201785.tif 000023
【図１５】
0003201785.tif 000024
【図１６】
0003201785.tif 000025
【図１７】
0003201785.tif 000026
【図１８】
0003201785.tif 000027
【図１９Ａ】
0003201785.tif 000028
【図１９Ｂ】
0003201785.tif 000029
【図１９Ｃ】
0003201785.tif 000030
【図２０】
0003201785.tif 000031
【図２１】
0003201785.tif 000032
【図２２】
0003201785.tif 000033
【図２３】
0003201785.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月8日(2015.9.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
仮想溶接作業を円滑にするシミュレータであって、
少なくとも１つの仮想溶接継手を有する仮想管材に関する溶接のセットアップ及び作業をエミュレートするインタラクティブ円周溶接環境を生成するためのコード化された命令を実行するように動作可能な論理プロセッサベースのサブシステムと、
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、前記インタラクティブ円周溶接環境を視覚的に描写する表示手段であって、前記仮想管材を描写する表示手段と、
前記少なくとも１つの仮想溶接継手に関するセットアップ及び仮想溶接作業をリアルタイムで実行するための吊下型又はハンドヘルドの入力装置と、
を備える、シミュレータ。
【請求項２】
前記入力装置は、仮想現実溶接に関する入力選択のための制御をエミュレートするエミュレート手段を有する、
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更に、学習目的を強化するために、ユーザーに基づく制限制御又は制限インタラクションを提供するプログラマブル電子回路を有する、
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更に、前記ユーザーが円周溶接環境を適切にセットアップでき、又はエラー回復を実行できることを保証するために、視覚的、聴覚的、物理的な変化に基づく指導インタラクション又は指導反応を提供するプログラマブル電子回路を有する、
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更に、入力を許可し入力された値に基づく出力を提供する仮想の計算部又はテーブルを含む、
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更に、不正確なセットアップパラメーター又はパラメーターの組合わせに基づく、インテリジェントエージェント対応の結果を提供するプログラマブル電子回路を有する、
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更に、前記ユーザーに入力されるべきであった適切なセットアップパラメーター又はパラメーターの組合わせを特定するための、インテリジェントエージェント対応の入力を提供するプログラマブル電子回路を有する、
請求項６に記載のシミュレータ。
【請求項８】
前記セットアップパラメーター又はパラメーターの組合わせの視覚的、聴覚的又は物理的なインジケーターを更に備える、請求項７に記載のシミュレータ。
【請求項９】
前記円周溶接のパスを追跡するための模擬カメラベースシステムを更に備える、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項１０】
ファジー理論制御部ベースシステムに基づく経路追跡及び経路決定のシステムを更に備える、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更に、ユーザーに対して複数のレベルを提供するプログラマブル電子回路を有し、各レベルはユーザーの熟練度、学習速度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更に、ユーザーの問題の検出、修正及び回復の能力を試験するための、人工知能ベースの障害命令を提供するプログラマブル電子回路を有する、
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更に、機械のセットアップ及び材料の欠陥に関する危険な状況のシミュレーションを提供するプログラマブル電子回路を有する、
請求項１２に記載のシミュレータ。
【請求項１４】
多言語機能を提供するプログラマブル電子回路を有する、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の、仮想溶接作業を円滑にするシミュレータであって、
少なくとも１つの仮想溶接継手を有する仮想管材に関する溶接のセットアップ及び作業をエミュレートするインタラクティブ円周溶接環境を生成するためのコード化された命令を実行するように動作可能な、論理プロセッサベースのサブシステムと、
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、前記インタラクティブ円周溶接環境を視覚的に描写する表示手段であって、前記仮想管材を描写する表示手段と、
前記少なくとも１つの仮想溶接継手に関するセットアップ及び仮想溶接作業をリアルタイムで実行するための吊下型又はハンドヘルドの入力装置と、
を備え、
前記論理プロセッサベースのサブシステムは更に、前記ユーザーが円周溶接環境を適切にセットアップでき、又はエラー回復を実行できることを保証するために、視覚的、聴覚的、物理的な変化に基づく指導インタラクション又は指導反応を提供するプログラマブル電子回路を有し、
前記論理プロセッサベースのサブシステムは更に、入力を許可し入力された値に基づく出力を提供する仮想の計算部又はテーブルを含み、
前記論理プロセッサベースのサブシステムは更に、不正確なセットアップパラメーター又はパラメーターの組合わせに基づく、インテリジェントエージェント対応の結果を提供するプログラマブル電子回路を有し、
前記入力装置は、仮想現実溶接に関する入力選択のための制御をエミュレートするエミュレート手段を有する、
シミュレータ。