在实时仿真的虚拟现实焊接环境中提供增强的使用者体验的系统和方法【专利说明】在实时仿真的虚拟现实焊接环境中提供增强的使用者体验的系统和方法[0001]本美国专利申请要求2009年7月10日递交的待审定美国专利申请序号12/501，257的优先权，并且是所述待审定美国专利申请的部分继续专利申请，所述待审定美国专利申请通过引用被全部并入本文，并且所述待审定美国专利申请要求2008年8月21日递交的美国临时专利申请序号61/090,794的优先权和权益。发明领域[0002]本发明涉及根据权利要求1的虚拟现实焊接系统以及根据权利要求3、8和14的虚拟现实焊接方法。某些实施方案涉及虚拟现实仿真。更特别地，某些实施方案涉及用于在仿真的虚拟现实环境或增强的现实环境中使用实时焊缝熔池反馈来提供弧焊训练的系统和方法。技术背景[0003]学习如何进行弧焊传统上需要许多小时的指导、训练和练习。存在可以进行学习的许多不同类型的弧焊和弧焊工艺。学员通常使用真实的焊接系统并且在真实的金属工件上执行焊接操作来学习焊接。这样的真实世界的训练会占用稀缺的焊接资源并耗尽有限的焊接材料。然而，近来使用焊接仿真的训练想法已经变得更加流行。一些焊接仿真经由个人电脑和/或经由互联网在线实现。可是，当前已知的焊接仿真往往被限于其训练重点(focus)。例如，一些焊接仿真将重点放于仅仅针对"肌肉记忆"的训练，这只不过是训练焊接学员如何握持和定位焊接工具。其他焊接仿真也仅是以有限的且常常为不实际的方式来将重点放于示出焊接工艺的视觉效果和音频效果，所述方式不给学员提供是真实世界焊接的高度表征的期望反馈。正是这种实际的反馈引导学员进行必要的调节以完成好的焊接。通过查看电弧和/或熔池而不是通过肌肉记忆来学习焊接。[0004]通过将这样的途径与如参照附图在本申请其余内容中阐述的本发明的实施方案进行比较，本领域技术人员将清楚常规的、传统的以及已提出的途径的其他限制和缺点。【
发明内容】[0005]目标是克服本文所提及的限制和缺点。这个问题通过根据权利要求1的虚拟现实焊接系统以及通过根据权利要求3、8和14的虚拟现实焊接方法来解决。本发明的进一步的实施方案是从属权利要求的主题。弧焊仿真已经被设计，所述弧焊仿真提供在虚拟现实空间中对具有实时熔融金属流动性特征以及吸热与散热特征的焊缝熔池的仿真。[0006]在本发明的实施方案中，虚拟现实焊接系统包括基于可编程处理器的子系统、空间追踪器、至少一个模拟焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够由所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统。系统能够在虚拟现实空间中仿真焊缝熔池，所述焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特性。系统进一步能够在显示装置上显示仿真的焊缝熔池，以描绘真实世界焊缝。根据优选的实施方案，系统包括模拟焊接线缆。模拟焊接线缆被附接到至少一个模拟焊接工具并且被配置来仿真至少真实焊接线缆的重量和刚度（stiffness)。[0007]-个实施方案提供虚拟现实弧焊系统。所述系统包括基于可编程处理器的子系统、空间追踪器、至少一个无线模拟焊接工具以及至少一个无线面部佩戴的显示装置，所述空间追踪器被可操作地连接到基于可编程处理器的子系统，所述至少一个无线模拟焊接工具被配置来以无线的方式与基于可编程处理器的子系统和空间追踪器通信，所述至少一个无线面部佩戴的显示装置被配置来以无线的方式与基于可编程处理器的子系统和空间追踪器通信。系统被配置来在虚拟现实环境中仿真具有实时熔融金属流动性和散热特征的焊缝熔池，并且在至少一个无线面部佩戴的显示装置上实时显示所仿真的焊缝熔池。[0008]另一个实施方案提供使用虚拟现实焊接系统的方法。所述方法包括在虚拟现实焊接系统的显示装置上显示具有虚拟焊道的虚拟焊接接头的图像，所述虚拟焊接接头使用虚拟现实焊接系统被生成。所述方法进一步包括使用虚拟现实焊接系统的使用者界面跨虚拟焊接接头的图像的长度维度滚动，以及响应于所述滚动，在虚拟现实焊接系统的显示装置上显示在沿虚拟焊接接头的图像的长度维度的连续位置通过虚拟焊接接头的横截区域的图像。[0009]进一步的实施方案提供使用虚拟现实焊接系统的方法。所述方法包括使用虚拟现实焊接系统生成具有虚拟焊道的虚拟焊接接头。虚拟焊接接头在虚拟现实焊接系统内被表征为第一数字数据集。所述方法进一步包括使用虚拟现实焊接系统上的第一数字数据集生成表征虚拟焊接接头的至少一部分的三维（3D)数字模型，其中3D数字模型与3D打印系统可操作地兼容。所述方法还可以包括将3D数字模型传递到3D打印系统，以及使用3D打印系统上的3D数字模型打印表征虚拟焊接接头的至少一部分的3D物理模型。[0010]另一个实施方案提供将虚拟现实焊接系统绑定到（tie)在线焊接游戏的方法。所述方法包括追踪虚拟现实焊接系统上的使用者的虚拟现实焊接进展，以及生成表征虚拟现实焊接系统上的使用者的虚拟现实焊接进展的使用者统计数据的电子文件。所述方法进一步包括经由外部通信基础设施将电子文件从虚拟现实焊接系统传递到提供在线焊接游戏的服务器计算机。所述方法还包括在线焊接游戏读取电子文件并且基于电子文件中的使用者统计数据更新关于在线焊接游戏的使用者的游戏概要。根据所述方法的优选的实施方案，可以包括将使用者的使用者统计数据与多个其他使用者相比较以及基于所述比较将所述使用者和所述多个其他使用者相对于彼此进行排名。[0011]从以下的说明和附图将更完整地理解要求保护的本发明的这些和其他特点，以及本发明的图示说明的实施方案的细节。[0012]附图的简要说明[0013]图1图示说明在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练的系统的系统方框图的示例性实施方案；[0014]图2图示说明结合的仿真焊接控制台和图1的系统的观察者显示装置（ODD)的示例性实施方案；[0015]图3图示说明图2的观察者显示装置（ODD)的示例性实施方案；[0016]图4图示说明图2的仿真的焊接控制台的前部分的示例性实施方案，示出物理焊接使用者界面（WUI);[0017]图5图示说明图1的系统的模拟焊接工具（MWT)的示例性实施方案；[0018]图6图示说明图1的系统的桌台/底座（table/stand)(T/S)的示例性实施方案；[0019]图7A图示说明图1的系统的管焊接（pipewelding)试样（coupon)(WC)的示例性实施方案；[0020]图7B图示说明安装于图6的桌台/底座（T/S)的臂的图7A的管状WC;[0021]图8图示说明图1的空间追踪器（ST)的示例性实施方案的各种部件；[0022]图9A图示说明图1的系统的面部佩戴的（face-mounted)显示装置（FMDD)的示例性实施方案；[0023]图9B为图9A的FMDD如何被固定在使用者的头部上的示意图；[0024]图9C图示说明安装于焊接头盔内的图9A的FMDD的示例性实施方案；[0025]图10图示说明图1的系统的基于可编程处理器的子系统（PPS)的子系统方框图的示例性实施方案；[0026]图11图示说明图10的PPS的图形处理单元（GPU)的方框图的示例性实施方案；[0027]图12图示说明图1的系统的功能方框图的示例性实施方案；[0028]图13为使用图1的虚拟现实训练系统的训练方法的实施方案的流程图；[0029]图14A-14B根据本发明的实施方案图示说明焊接像元（weldingpixel)(焊元(wexel))移置图（displacementmap)的概念；[0030]图15图示说明仿真于图1的系统中的平坦焊接试样（WC)的试样空间（couponspace)和焊缝空间（weldspace)的示例性实施方案；[0031]图16图示说明仿真于图1的系统中的拐角（T型接头）焊接试样（WC)的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案；[0032]图17图示说明仿真于图1的系统中的管焊接试样（WC)的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案；[0033]图18图示说明图17的管焊接试样（WC)的示例性实施方案；[0034]图19A-19C图示说明图1的系统的双移置熔池模型的概念的示例性实施方案；[0035]图20图示说明在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练的系统的系统方框图的第二示例性实施方案；[0036]图21图示说明具有焊道外观的虚拟焊接接头的显示的图像，所述图像可以在虚拟现实焊接系统的显示装置上被显示；[0037]图22图示说明具有焊道外观的图21的虚拟焊接接头的显示的图像，所述图像可以在虚拟现实焊接系统的显示装置上被显示；[0038]图23图示说明与3D打印系统可操作通信的虚拟现实焊接系统；[0039]图24图示说明虚拟现实焊接系统的示例性实施方案的系统方框图；以及[0040]图25图示说明示出图24的虚拟现实焊接系统经由外部通信基础设施与服务器计算机可操作通信的示例性实施方案。【具体实施方式】[0041]本发明的实施方案包括虚拟现实弧焊（VRAW)系统，所述虚拟现实弧焊系统包括基于可编程处理器的子系统、空间追踪器、至少一个模拟焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够被所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统。所述系统能够在虚拟现实空间中仿真具有实时熔融金属流动性和散热特征的熔池。所述系统还能够在所述显示装置上实时地显示所述仿真的熔池。当被显示时，所述仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征提供实时可视反馈给所述模拟焊接工具的使用者，允许所述使用者响应于所述实时可视反馈而实时地调节或保持焊接技法（即帮助使用者正确地学习焊接）。所显示的熔池是基于使用者的焊接技法和所选择的焊接工艺与参数而将会被形成于真实世界中的熔池的表征。通过观看熔池（例如形状、颜色、熔渣、大小、堆叠的币状体（stackeddimes))，使用者可以修正其技法来进行良好的焊接并确定被完成的焊接类型。所述熔池的形状响应于焊枪或焊条的运动。如本文所使用的，术语"实时"意指以与使用者在真实世界的焊接情景下将会感知和体验的相同的方式，在仿真的环境下及时感知和体验。此外，所述熔池响应于包括重力的物理环境的作用，允许使用者以各种位置（包括仰焊（overheadwelding))和各种管焊接角度（例如1G、2G、5G、6G)逼真地练习焊接。[0042]图1图示说明系统100的系统方框图的示例性实施方案，系统100在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练。系统100包括基于可编程处理器的子系统（PPS)110。系统100进一步包括可操作地连接到PPS110的空间追踪器（ST)120。系统100还包括可操作地连接到PPS110的物理焊接使用者界面（WUI)130,以及可操作地连接到PPS110和ST120的面部佩戴的显示装置（FMDD)140。系统100还包括可操作地连接到PPS110的观察者显示装置（ODD)150。系统100还包括可操作地连接到ST120和PPS110的至少一个模拟焊接工具（MWT)160。系统100还包括桌台/底座（T/S)170,以及能够被附接到T/S170的至少一个焊接试样（WC)180。根据本发明可替换的实施方案，提供模拟气罐（未示出），所述模拟气罐仿真保护气体源并具有可调节的流量调校器（flowregulator)。[0043]图2图示说明结合的仿真焊接控制台135(仿真焊接电源使用者界面）和图1的系统100的观察者显示装置（ODD)150的示例性实施方案。物理WUI130位于控制台135的前部分上，并且提供旋钮（knobs)、按钮以及操纵杆，用于各种模式和功能的使用者选择。ODD150被附接到控制台135的顶部分。MWT160放置在附接到控制台135的侧部分的托架（holder)中。在内部，控制台135容纳PPS110以及ST120的一部分。[0044]图3图示说明图2的观察者显示装置（ODD)150的示例性实施方案。根据本发明的实施方案，ODD150为液晶显示（LCD)装置。其他显示装置也是可能的。例如，根据本发明的另一实施方案，ODD150可以为触控屏幕显示器。ODD150从PPS110接收视频（例如SVGA格式）并且显示来自PPS110的信息。[0045]如图3所示，ODD150能够显示呈现各种焊接参数151的第一使用者场景，焊接参数151包括位置、末端到工件间隙（tiptowork)、焊接角度、行进角度以及行进速度。这些参数可以以图形的形式实时被选择并显示并且被用于教导适当的焊接技法。此外，如图3所示的，ODD150能够显示仿真的焊接不连贯性状态152,包括例如不适当的焊缝大小、不佳的焊道布置、凹入的焊道、过于外凸、咬边、多孔、未焊透、夹渣、过度飞溅、过度填充以及烧穿（焊穿）。咬边是熔入邻近焊缝或焊缝焊根（root)的基底金属的且没有被焊缝金属填充的凹槽（groove)。咬边常常是由于不正确的焊接角度造成的。多孔是由固化期间的夹气形成的空腔类不连贯，常常是由电弧过于远离试样移动而造成的。[0046]再有，如图3所示的，ODD150能够显示使用者选择内容153,包括菜单、动作、视觉提示、新试样以及最终行程（endpass)。这些使用者选择内容被关联到控制台135上的使用者按钮。当使用者经由例如ODD150的触控屏幕或者经由物理WUI130进行各种选择时，所显示的特征可以改变以对使用者提供选择的信息和其他选项。此外，ODD150可以显示佩戴FDMM140的焊接者以与所述焊接者相同角度的视野或者以各种不同的角度（例如由指导人员选择的）可见的视图。ODD150可以由指导人员当前第1页1 2 3 4 5 6