CN108057946A - 用于校准焊工训练机的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文提供了用于校准焊接训练装备的系统和方法。所述系统包括多个参考标记，所述参考标记被布置在焊接环境的3‑D空间中以便在所述焊接环境的3‑D空间中具有已知的固定取向。图像捕捉装置扫描焊接环境，所述焊接环境包括焊接试样或工件。所述图像捕捉装置还捕捉焊接环境的图像。物体识别装置自动地标识在所捕捉的图像中的焊接试样或工件并且将焊接路径自动地关联至所标识的焊接试样或工件。校准装置通过基于参考标记使焊接路径与焊接环境的3‑D空间相关来自动地校准焊接训练装备。

Description

用于校准焊工训练机的系统和方法

优先权和援引并入

此美国非临时专利申请要求于2016年11月7日提交的未决的美国临时申请序列号62/418,740的优先权，该申请以其全部内容通过援引并入本文。于2015年4月9日提交的美国申请号14/682,340、于2013年9月26日提交的美国申请序列号14/037,699、于2009年10月13日提交的作为美国专利号8,569,655公布的美国申请序列号12/577,824、以及于2014年4月9日提交的美国临时专利申请号61/977,275的说明书均以其全部内容通过援引并入本文。

发明概述

技术领域

本发明总体上涉及在焊接中使用的设备。装置、系统、和方法与校准焊接训练装备一致。

背景技术

焊接是在各种产品和结构的制造和构建中的重要工艺。焊接的应用广泛并且使用遍及全球，例如，列举几例来说，船舶、建筑物、桥梁、车辆和管道的构建和修复。可以在各种各样的地点执行焊接，例如在采用固定式焊接操作的工厂中、或在采用便携式焊接机的现场。

在手动或半自动焊接中，用户/操作者(即焊工)引导焊接设备来进行焊接。例如，在弧焊中，焊工可以手动定位焊条或焊丝、并且在焊接位置处产生生成热的电弧。在这种类型的焊接中，电极与焊接位置的间距与所生成的电弧有关、并且与实现基材金属和焊条或焊丝金属的最佳熔化/熔合有关。这样的焊接质量通常直接取决于焊工的技能。

焊工在焊接时一般依靠各种各样的信息。这种信息包括例如电流和电压。传统地，焊工将需要查看焊接设备控制面板上的仪表来获得这种信息。这将要求焊工使得他们的视野离开焊接工作区域，而这样是不希望的。此外，在许多情况下，焊接机可能并不位于工作空间附近。在此类情况下，焊接机是由可以用于改变多个参数(例如焊接功率、极性、电弧特征等)的、电缆连接的远程控制器来操作的。然而，在可以设定该过程之前，焊工可能需要看到物理地位于机器上的显示读数。这个设定过程在设定完成之前可能需要来回许多次。

过去，已做出努力来在焊接期间给焊工提供信息，比如在美国专利号4,677,277披露的方法中，其中对电流和电压进行监测来为操作者产生关于弧焊电弧状态的音频指示。然而，仅由音频电弧参数指示器组成的监视器难以听到和进行干预、并且不能够实现希望的接近控制和通常所要求的焊接质量。

最近，如在美国专利号6,242,711中所披露的，已经开发了一种用于监测弧焊的装备，该装备给焊工提供焊接电弧的实时的电压和电流状态，其中，将以光、被照亮的条形图、光投影、被照亮的透视显示或类似形式的信息置于戴帽罩的操作者的视觉范围之内、并且定位成接近帽罩中的帽罩观看窗口。然而，在这个装备中，焊工仍必须将其视觉焦点移动离开焊接工作区域，以便聚焦在位于焊接窗口附近的信息上，或者焊工必须接受外围信息而同时继续聚焦在焊接工作区域上。此外，相关领域的焊接装置在进行焊接过程中辅助焊工(无论是初学者还是经过练习的人)方面具有有限的引导作用。

发明内容

本发明涉及用于校准焊接训练装备的系统和方法。多个参考标记被布置在焊接环境的3-D空间中，以便在所述焊接环境的3-D空间中具有已知的固定取向。校准装置通过基于所述参考标记使焊接路径与所述焊接环境的3-D空间相关来自动地校准焊接训练装备。

从以下的详细说明和附图中，各方面将对于本领域技术人员而言变得清晰。

附图说明

通过参考附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加清晰，在附图中：

图1是根据本发明的焊接系统的示意图；

图2是类似于图1中帽罩的一种包括摄像机的焊工帽罩的放大视图；

图3是类似于图2中帽罩的一种包括投影仪的焊工帽罩的截面图；

图4是类似于图3中帽罩的一种包括集成视频显示器的焊工帽罩的截面图；

图5是类似于图2中帽罩的一种包括双目摄像机的焊工帽罩的透视图；

图6是类似于图5中帽罩的一种焊工帽罩的内部视图，示出了双目观看屏；

图7是具有HUD的焊工帽罩的示例性实施例的截面图；

图8是根据本发明示例性实施例的焊接系统的示意图；

图9是具有HUD的焊工帽罩的内部视图；

图10A和图10B是具有HUD的焊工帽罩的内部视图；

图11是具有HUD的焊工帽罩的示例性实施例的截面图；

图12展示了可以被显示出的信息的示例性视图。

图13展示了根据本发明的另一个示例性实施例的焊接系统的示意框图。

图14展示了图13中的焊接系统的示意图。

图15展示了具有安装在面部的显示装置的焊工帽罩的透视图。

图16A展示了示例性的焊接工具，示出了用于限定刚体的点标记的布置。

图16B展示了示例性的焊工帽罩，示出了用于限定刚体的点标记的布置。

图17展示了流程图，示出了本发明的示例性实施例中的信息流。

图18展示了当在焊工帽罩的显示器上或穿过显示器观看时的焊接环境的透视图。

图19展示了用于设定焊接设备上的参数的示例性用户输入屏幕。

图20展示了用于选择焊接过程的示例性用户输入屏幕。

图21展示了具有各种焊接工具参数曲线的示意性图表。

图22展示了焊接环境的透视图，示出了真实世界的物体、视觉提示和虚拟物体。

图23展示了焊接环境的俯视图，示出了真实世界的物体和虚拟物体。

图24展示了焊接环境的侧视图，示出了真实世界的物体和虚拟物体。

图25展示了焊接系统的另一个示例性实施例的示意图。

图26展示了流程图，示出了物体识别装置的示例性实施例中的信息流。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明的示例性实施例。所描述的示例性实施例旨在帮助理解本发明、而不旨在以任何方式限制本发明的范围。贯穿全文，类似参考号表示类似的要素。

现在参照附图，图1中展示了焊接系统10。焊接系统10包括焊工帽罩12、焊接系统14、焊枪16和工件18。工件18总体上限定了焊接工作区域20，可以使用焊枪16来在该焊接工作区域中形成焊缝。

焊接系统14包括用于产生焊接电流和电压的焊接设备、用于控制焊接电流和电压的焊接控制系统、以及用于监测焊接电流和电压的监测系统。即，该焊接系统可以是在具有已知构造和操作的已知或用过的焊接电源上。监测系统还可以监测各种其他的操作参数，比如但不限于，送丝速度、已使用的焊丝量/剩余焊丝量、操作者希望的任何类型的焊接反馈、以及任何其他希望的操作参数。

焊工帽罩12包括主体22，该主体具有连接到主体22上的视觉显示器24。显示器24可以是窗口，该窗口包括焊接透镜、视频监视器(例如LCD显示器或LED阵列)、或适于允许焊工看到焊接工作区域20的任何其他装置。必须理解的是，在这样的显示器24是视频监视器的实施例中，可以利用视频处理来增强该焊接操作的画面。另外，显示器中可以任选地包括记录装置，例如用来记录焊接操作并且之后进行回放以用于分析和/或评估。

如图2所示，焊工帽罩12可以包括安装在焊工的视点处或附近的摄像机26。在视觉显示器24是视频监视器的实例中，摄像机26可以为显示器24提供焊接工作区域20的视频画面。另外，可以使用摄像机26随着焊接操作的进展来对其进行记录，使得以后可以观看该焊接操作。

如图3和图4示出的，信息生成机构28与焊接系统14的监测系统通信、并且能够基于监测到的焊接参数(如电流和电压)在视觉显示器24上生成表示来自该监测系统的信息的图像，其中该图像的焦点与相关联的焊接工作区域在一个焦点范围(即，具有一个焦点)上，例如在焊工帽罩12的主体22之外。即，在显示器24中/上显示的图像的焦点范围被设定为位于与焊接工作区域20的位置相关联的范围上。例如，图像可以是符号的、字母数字的、或适于指示该信息的任何其他装置。因此，焊工可以观看表示关于焊接操作的信息的图像而无需从工作区域转移焦点。因此，在至少一个实施例中，焊工可以同时聚焦在所述工作区域和信息图像上。

必须理解的是，除连同各种各样其他参数的其他类型的信息之外，基于焊接电流和焊接电压的信息包括但不限于：焊接电流反馈、焊接电压反馈、焊接设备的控制设置、焊接过程的统计信息、包括能力表征的基准或限制、包括材料短缺或低流量的报警、既定的或希望的焊接的表征等。

另外，在一个实施例中，用摄像机26来校准相对于焊接工作区域20的图像深度。可以用此经校准的深度来确定在显示器24上显示的信息的焦点。例如，如果摄像机26确定从帽罩到工作区域的距离是2英尺，则在显示器24上示出的图像和/或信息被显示成使得该图像具有会在该帽罩之外2英尺处的焦点。如以上所解释的，这允许将显示信息显示在与焊接区域20相同的焦距处，使得焊工在焊接操作过程中不需要改变他/她眼睛的焦点。在另一个实施例中，可以使用在焊枪上的位置传感器来校准该图像深度。此类传感器可以包括但不限于：磁传感器、光学传感器、声学传感器等，这些传感器是使用适当的感测系统来进行感测的以允许确定焊枪的位置。可以用此数据来辅助确定工作区域相对于帽罩的焦点范围/距离。在特定的应用中，高度希望的是仔细对齐该图像与焊接工作，使得图像中所表示的信息是焊工易于获取的，并且使得图像中的信息容易被焊工接受。

在视觉显示器24是视频监视器的实例中，信息生成机构28可以包括在显示器24上示出在焊接工作区域20的视频画面中的、基于监测参数(如焊接电流和焊接电压)的、来自该监测系统的信息的图像表示。

如在29处所指示的，信息生成机构28可以如所希望地与其他装置进行有线或无线通信。

在图3中，信息生成机构28是投影仪。投影仪可以例如包括内部LCD显示器或连同有多个相关联的反射镜32以便将所产生的图像反射到视觉显示器24上的LED阵列30。反射的图像将相对于视觉显示器24的深度表象赋予该图像、并且因此将该图像放在相关联的焊接工作区域的焦点范围处并且在焊工帽罩12的主体22之外、并且任选地在与相关联的焊接工作区域20相同的焦距处。任选地，反射表面34可以被置于视觉显示器24的一部分上，以便实现所希望的反射量或反射角。在一个实施例中，可以利用提词机(teleprompter)类型的技术来将图像置于显示器24或表面34上。另外，必须理解的是，一个实施例包括在帽罩内使用LCD显示器或其他类似的显示器来产生图像，然后沿光学路径(如通过反射或光纤或任何其他合适的装置)传送该图像来置于图像显示器24或表面34上。

在图4中，信息生成机构28包括被集成到视觉显示器24中的屏幕、膜或片材36。片材36可以是半透明的LCD膜、电光膜、或任何其他适用于信息生成机构28生成在视觉显示器24中产生的图像的介质。在一种应用中，信息生成机构28可以将立体图投影在焊接透镜上使得焊工的眼睛将分开地观看到这些图像以便产生深度感、并且因此将该图像聚焦在相关联的焊接工作区域20的焦点范围处并且在焊工帽罩12的主体22之外。

图5中示出了包括双目摄像机26a和26b的焊工帽罩12。如图6所示，这些摄像机26a和26b对应于双目观看屏24a和24b。信息生成机构可以产生有待在观看屏24a和24b任一者或两者中生成的图像。在一个实施例中，摄像机26a和26b与屏幕24a和24b是对齐放置的(除了在主体22的相反两侧上之外)，从而因此给予焊工在这些摄像机正前方的视图。另外，在具有双目摄像机26a和26b以及双目观看屏24a和24b的实施例中，产生了景深感。

在任何情况下，该图像都可以是文本、或图表、或视频反馈的叠加图。另外，设想的是，在至少一个实施例中，以上所描述的系统可以用于远程焊接情形中，包括但不限于机器人焊接或水下焊接。

尽管已经针对特定的实施例解释和展示了操作的原理和模式，但是，必须理解的是，可以在不背离其精神或范围的情况下在如具体解释和展示之外的其他情况下对此加以实践。

如图7所示，本发明的一些示例性实施例包括具有平视显示器(HUD)135的、用于焊工的焊工帽罩12。在一些实施例中，HUD 135包括投影仪128、组合器134、和信息生成装置129。投影仪128可以是例如LED阵列、LCD显示器、激光器、组合式LED/LCD系统、或一些其他适合的投影仪系统。投影仪128将图像投影到组合器134上。图像可以呈文本、图表、视频等的形式。投影仪128从信息生成装置129接收例如呈数字信号形式的图像信息。信息生成装置129基于从外部来源(例如像焊接系统14或计算机系统160(参见图8))接收到的信息来生成和/或处理该图像。此信息除了其他类型的信息之外还可以包括焊接参数，例如输入功率、输入电流、输入电压、焊接电压、焊接电流、焊接功率、尖端到工件的距离、电弧长度、送丝速度等。在一些实施例中，投影仪128和信息生成装置129可以整合成单一的物理单元。在一些实施例中，计算机系统160和/或焊接系统14生成和/或处理该图像并且将该图像信息直接传送至投影仪128，该投影仪可以包括和/或连接无线通信装置。

组合器134将从投影仪128投影的图像反射给焊工。在一些实施例中，透射过透镜24的光也透射过组合器134。因此，焊工将同时观看到所投影的图像和在组合器134后方的视场。透射过透镜24的光可以是来自透射过透镜24的焊接电弧的光。在一些实施例中，透镜24具有的类型是在透镜24检测到焊接电弧已经开始时快速且自动地从透明变暗的类型。自动调暗特征保护焊工的眼睛免于在眼睛暴露于焊接电弧时可能发生的损伤。该自动调暗的透镜在没有检测到电弧时是透明的并且因此允许焊工甚至在焊工帽罩12向下翻到焊工脸上时仍能看到工作空间。通过自动调暗的透镜，透射过透镜24和组合器134的光可以是来自焊接电弧的光或是正常的室内采光，这取决于是否在进行焊接操作。

在一些实施例中，组合器134校准所反射的图像，使得所投影的图像看起来在光学无限远处。因此，焊工不必重新聚焦才能看到工作空间和所投影的图像两者，甚至在焊接工艺过程中也是如此。在一些实施例中，组合器134是适当的透明材料(例如，平坦的玻璃片)，该玻璃片是成角度的，使得来自投影仪128的投影图像被反射给焊工，如图7所示。在一些实施例中，将组合器134安装到焊工帽罩12和/或透镜24上使得焊工可以根据希望来调整反射角。

在一些实施例中，组合器134包括反射来自投影仪128的单色光的涂层。例如，组合器134上的涂层可以使得例如仅能反射绿光并且所有其他光都被透射。因此，HUD 135将给焊工提供透明显示器，该透明显示器允许焊工看到组合器134上绿色的信息同时还允许焊工观看工作空间。当然，在组合器134上可以使用反射其他颜色或甚至多种颜色的其他涂层。例如，组合器134可以被涂覆成使得它反射绿色和红色。在位于正常的操作范围内时，例如焊接电流等信息可以被显示为绿色，而在位于正常的操作范围之外时，例如焊接电流等信息可以被显示为红色。向焊工提供的信息可以包括焊接操作参数，例如像输入电流、输入电压、输入功率、焊接电流、焊接电压、送丝速度、接触尖端到工件的距离、电弧长度、操作模式等。

可以如所希望地改变组合器134的大小、形状、和相对于透镜24的布置。例如，图9展示了组合器134的多种不同大小、形状、和位置。所展示的大小和位置是示例性的并且可以使用任何适当的大小、形状、和位置。例如，在一些实施例中，组合器134的大小被确定为使得它覆盖透镜24的整个开口(见图10A和图10B)。类似地，可以如所希望地确定组合器134上的图像窗口(即，显示实际信息的窗口)的大小和/或位置。例如，如图10A所示，在实际的焊接工艺过程中，图像窗口136可以被显示在组合器134的角落中和/或沿着其边缘，使得焊工不会分心但希望的话仍能获得信息。当焊接工艺没有发生时，图像窗口136可以被显示得更大，如图10B所示。HUD 135可以被配置成使得图像136基于焊接系统14是否在执行焊接操作而自动调整大小。替代地或另外，HUD 135可以被配置成使得对图像136的再次调整大小是焊工的手动操作。

在一些实施例中，没有使用投影仪。如图11所示，HUD 235包括组合器234和信息生成装置229。在这个示例性实施例中，图像直接在组合器234中产生。组合器234可以是例如LCD显示器、光波导、电-光介质、或用于产生图像的一些其他适合的介质。类似于以上所讨论的组合器134，可以如所希望地改变组合器234的大小、形状、和相对于透镜24的布置，包括使显示大小等于透镜24的窗口的大小。另外，类似于以上讨论的图像窗口136，可以如所希望地确定组合器234上的图像窗口的大小和/或位置。

组合器234接收来自信息生成装置229的例如呈数字信号形式的的图像信息，该图像生成装置基于从焊接系统14和/计算机系统160接收到的信息来生成和/或处理该图像。在一些实施例中，组合器234和信息生成装置229可以整合成单一的物理单元。在一些实施例中，组合器234和透镜24可以整合成单一的物理单元。在一些实施例中，组合器234、信息生成装置229、和透镜24可以整合成单一的物理单元。在一些实施例中，计算机系统160和/或焊接系统14生成和/或处理该图像并且将该图像信息直接传送至组合器234，该组合器可以包括无线通信装置或连接至其上。

信息生成装置129和229各自可以包括通信装置150以便经由例如无线网络170或有线网络来与焊接系统14和/或计算机系统160通信。无线网络170可以使用例如蓝牙、WiFi(IEEE 802.11)或一些其他的无线协议来运行。在一些实施例中，焊接系统14可以在焊接操作正在进行时实时提供以下信息来例如辅助焊工：例如输入功率、输入电流、输入电压、焊接电流、焊接电压、焊接功率、接触尖端到工件的距离、电弧长度、送丝速度等。替代地或另外，焊接系统14可以在焊工已停止焊接之后发送焊接表现信息。例如，焊接系统14可以例如在焊接系统14被关掉之后传送信息(例如像热量输入、焊接持续时间等)，从而指示焊工已经完成焊接。此类信息对焊工可能是有用的，以便在开始下一个焊接区段之前进行修正。

在一些实施例中，计算机系统160执行所有的计算，例如像热量输入、焊接持续时间等。计算机系统160可以经由例如无线网络170或有线网络来与焊接系统14和/或焊工帽罩12通信。在一些实施例中，计算机系统160对从焊接系统14接收到的信息进行收集、存储、和/或分析。在一些实施例中，计算机系统160将图像信息不是传送给焊接系统14而是传送给焊工帽罩12、或者还另外传送至焊接系统。在一些实施例中，该计算机系统被并入或整合到焊接系统14中。

在一些实施例中，焊工看到的图像信息是可配置的。例如，计算机系统160和/或焊接系统14可以被配置成具有焊工可以选择的不同“视图”或图像屏幕。例如，如图12所示，可以通过使用若干个图像屏幕或“视图”向焊工呈现焊接信息。视图1可以表示发动机驱动的焊接机的实时操作参数，例如像焊接机输出安培数310、焊接机输出伏特数312、发动机速度314等。第二“视图”(视图2)可以表示性能总量，例如像焊接热量输入320、使用的辅助功率322、使用的焊接功率324等。在其他示例性实施例中，可以示出其他数据。例如，HUD可以显示发动机相关的信息，例如RPM、发动机温度、油压、空气压缩机输出压力(如果装备有)、以及来自发动机控制计算机的任何故障代码以允许警示焊工任何问题。可以对这些视图进行自定义以满足焊工的需要。例如，这些视图可以是基于焊接类型(TIG、MIG等)、所焊接的材料(钢、铝等)、焊缝类型(圆角、对接等)、或基于一些其他因素而可自定义的。此外，可以是针对各焊工来对这些视图自定义的。例如，在焊工通过使用讯标(例如，RFID标签)或一些其他手段例如登陆计算机系统160或焊接系统14来识别身份之后，计算机系统160和/或焊接系统14可以例如基于焊工的偏好、经验水平等来显示针对该焊工的一组“视图”。

焊工可以开启和关掉HUD 135、235并且通过使用位于焊工帽罩12上的控制件(未示出)来滚动这些“视图”。替代地或此外，焊工可以通过使用语音命令来控制HUD 135、235。焊工帽罩12可以包括接收来自焊工的声音命令的麦克风系统140(参见图7)。麦克风系统140接着可以通过使用通信装置150将这些声音命令转送至焊接系统14和/或计算机系统160。焊接系统14和/或计算机系统160解读这些命令并且将适当的指令和信息发送至信息生成装置129、229。信息生成装置129、229于是将基于所接收的信息和指令来控制投影仪128和/或组合器234。例如，焊工可以说“显示电流”，并且该系统将显示焊接电流。可以使用其他语音命令以允许用户显示希望的信息。这些语音命令可以是使用在焊接工艺完成之前、期间、或之后的。除了以上所讨论的这些命令，焊工还可以调整图像窗口136的大小和位置、图像显示器的亮度、图像显示器的颜色等。在一些实施例中，焊工可以控制图像的不透明度来使图像具有更多或更少的透明度(例如从接近100％透明至100％不透明)。与焊工调整一起，信息生成装置129、229、计算机系统160、和焊接系统14中的至少一者可以基于是否感测到焊接电弧和/或基于室内环境光的水平自动地调整一些显示参数(例如像亮度、不透明度、颜色等)。

在另一个示例性实施例中，如图13所见，当用户进行焊接时，系统400提供实时视觉反馈，该焊接可以包括例如真实世界焊接、模拟焊接、或真实世界焊接与模拟焊接的组合。也就是说，系统400可以用于在学生对真实世界和/或模拟焊接的试样和工件进行练习的环境中训练焊工。优选地，当进行模拟焊接时，模拟物体可以包括但不限于焊接电弧、焊接熔池、和/或焊接试样/工件。如下文所讨论的，模拟物体就被显示、投影或映射到HUD、组合器、头戴显示器或等价物上。工件，无论真实世界和/或模拟的，可以包括例如简单的物体(如板、管等等)以及复杂的物体(如在例如机床中使用的零件、装置和部件)。优选地，一些示例性实施例可以用于进行现场焊接，例如在制造场地、在建筑场地等等。图13和图14提供了根据本发明的示例性实施例的系统400的概览。系统400包括基于逻辑处理器的子系统410，该子系统可以是可编程的且可操作的以便执行编码的指令，用于生成视觉提示和音频提示以与焊接环境480的数字图像和/或HUD的组合器上显示的数字图像叠加并且与之对齐。视觉提示和音频提示，无论是其自身或是作为具有焊接环境480的复合图像流(例如视频流)的一部分，然后经由安装在焊工帽罩440上的安装在面部的显示装置440A被传送给用户(焊工)。如下文所讨论的，取决于显示器的类型，可以将视觉提示和/或焊接环境480的数字图像(视频)呈现给用户。优选地，如在下文进一步所讨论的，视觉提示可以与优选的区域对齐，例如像显示装置440A的角落或沿其侧边，和/或视觉提示可以与物体对齐，例如焊接工具460、焊接试样480A或工件480B、接触尖端、喷嘴等等(在显示装置440A上可见)。

除了显示视觉提示和显示焊接环境480之外，显示装置440A还可以回放或显示各种媒体内容，如视频、文档(例如呈PDF格式或其他格式)、音频、图形、文本或其他可以在计算机上显示或回放的媒体内容。此媒体内容可以包括例如受训者在进行焊接前可以检视的焊接指导信息(例如焊接的一般信息、特定焊接头的信息、或用户希望进行的焊接过程的信息等等)。该媒体内容还可以包括受训者表现的信息或完成焊接或训练练习之后焊接质量的信息，和/或在焊接过程中提供给受训者的音频/视觉信息(例如，如果视觉提示被关闭并且受训者的表现存在问题，则系统可以显示和/或提供建议打开视觉/音频提示的音频信息)。

系统400还包括传感器和/或传感器系统，这些传感器和/或传感器系统可以包括可操作地连接到基于逻辑处理器的子系统410上的空间追踪器420。如下文所讨论的，空间追踪器420追踪焊接工具460和焊工帽罩440相对于焊接环境480的位置。系统400还可以包括与基于逻辑处理器的子系统410通信的用于设置和控制系统400的焊接用户界面430。优选地，除了安装在面部的显示装置440A(可以被连接到例如基于逻辑处理器的子系统410)之外，系统400还包括观察者/设定显示装置430A(连接到例如焊接用户界面430)。每个显示装置440A、430A可以提供已经用视觉提示叠加的焊接环境480的视图。优选地，系统400还包括接口，该接口在基于可编程处理器的子系统410与焊接电源450之间提供通信，以便接收焊接参数，例如像电压、电流、功率等。在一些示例性实施例中，系统400包括视频捕捉装置470，该视频捕捉装置包括一个或多个摄像机(例如数字视频摄像机)，以便捕捉焊接环境480。视频捕捉装置470可以安装在焊工帽罩440上，该焊工帽罩类似于上文参考图2和图5讨论的帽罩12。来自视频捕捉装置470的信号提供了用户在焊接时看到的视场。来自视频捕捉装置470的信号可以被发送到基于可编程处理器的子系统410以用于处理视觉提示。取决于焊工帽罩440的类型，视觉提示或者视觉提示及焊接环境480的视频两者被发送到安装在面部的显示器440A。例如，在焊工帽罩包括透过式透镜(例如自动调暗透镜，例如见图11的帽罩12)的情况下，视频提示可以被映射并传送到组合器，从而匹配用户穿过安装在面部的显示器440A的视场。

在各种示例性实施例中，空间追踪器420测量焊接工具460和/或焊工帽罩440的运动并且在焊接练习过程中收集过程数据。优选地，空间追踪器420使用以下追踪系统中的一种或多种：基于单或多摄像机的追踪系统(例如基于点云图像分析)、基于磁场的追踪器、基于加速计/陀螺仪的追踪器、光学追踪器、红外追踪器、声学追踪器、激光追踪器、射频追踪器、惯性追踪器、主动或被动光学追踪器、以及基于混合的现实和模拟追踪。此外，其他类型的追踪器可以在不偏离广义发明概念的预期涵盖范围的情况下使用。本发明的示例性实施例可应用于宽范围的焊接和相关过程，包括但不必限于GMAW、FCAW、SMAW、GTAW、包覆和切割。为了简明和清晰，将在焊接方面提供系统400的说明，但是本领域技术人员应理解，本说明将同样适用于其他操作，如切割、连结、包覆等等。

优选地，基于逻辑处理器的子系统410包括至少一个计算机用于接收和分析由空间追踪器420、图像捕捉装置470捕捉的信息和由焊接电源450传送的焊接过程数据。在运行过程中，计算机典型地运行软件，该软件包括焊接方案模块、图像处理和刚体分析模块、以及数据处理模块。焊接方案模块包括各种各样的焊接类型以及与产生每种焊接类型相关联的一系列可接受的焊接过程参数。在焊接方案模块中可以包括任何数量的已知或AWS焊接头类型以及与这些焊接头类型相关联的可接受参数，该焊接方案模块可以由用户、焊接指导者等访问并配置，以在焊接方案模块中增加、修改或删除任何信息。除了已知的焊接类型之外，基于逻辑处理器的子系统410可以将对应于定制零件、装置、部件等的焊接头和/或特定焊接导入焊接方案模块中。例如，基于逻辑处理器的子系统410可以导入任何作为制造过程一部分焊接的复杂定制零件、装置、部件等(例如在任何工业、制造、农业或建筑应用中或任何其他应用中使用的零件、装置、部件等)的设计模型信息，例如CAD格式(2-D或3-D)(或另一种类型的设计格式)。一旦导入，在制造定制零件、装置、部件等中使用的接头的数量和类型可以作为定制焊接类型被标识和储存在焊接方案模块中。与这些焊接头类型相关联的可接受参数限制可以例如由指导者输入或优选地包括在来自制造商的设计文件(例如CAD文件)中，并且然后被基于逻辑处理器的子系统410读取。作为展示性示例，基于逻辑处理器的子系统410可以导入汽车车桥的设计，例如呈2-D或3-D CAD格式。在制造车桥中使用的接头的数量和类型可以被标识(例如由指导者标识或作为例如2-D或3-D CAD格式的文件的一部分自动读入)并且作为定制焊接类型储存在焊接方案模块中。如与已知或AWS焊接类型一样，与定制焊接类型相关联的可接受参数也储存在焊接方案模块中。优选地，用于定制零件、装置、部件等的信息也由基于逻辑处理器的子系统410的实施例使用，如下所述地用于工件识别和系统的自动校准。

由用户在焊接前选择的焊接过程和/或类型确定了对于任何给定的焊接练习使用哪些可接受的焊接过程参数。物体识别模块可操作来将系统训练成识别已知的刚体物体(可以包括两个或更多个点标记)并且然后当用户完成人工焊接时计算例如焊接工件460和焊工帽罩440的位置和取向数据。优选地，与已知的刚体物体一起，物体识别模块也可以被上传或配置为具有用于识别如上所讨论的定制零件、装置、部件等的信息。数据处理模块将焊接方案模块中的信息与由物体识别模块处理的信息进行对比并且将输出反馈至用户。例如，基于逻辑处理器的子系统410可以经由各种手段给用户提供任何类型的反馈(典型地实时的)，这些反馈包括但不限于以下各项中的一项或多项：帽罩内的视觉反馈、分开的监视器上的视觉反馈、经由扬声器的音频反馈(例如音调、辅导、警报)、以及使用焊接工具(例如焊炬、焊枪)的另外的视觉、音频或触觉反馈。例如，当用户在焊接试样480A或工件480B上进行焊接时，可以将实时视觉反馈提供给用户和/或观察者，焊接试样或工件中的每一者可以具有一定范围的配置，包括大尺寸、各种接头类型、管、板、以及复杂的形状和组件。优选地，作为反馈提供的所测量的参数可以包括但不限于目的、工作角度、行进角度、工具平衡、行进速度、焊道布置、编排、电压、电流、送丝速度、电弧长度、热量输入、气体流量(计量的)、接触尖端到工件距离(CTWD)、和熔敷速率(例如，磅/小时、英寸/道次)。优选地，安装在面部的显示器440A和/或带有显示装置430A的焊接用户界面430允许用户和/或观察者实时将所处理的数据视觉化，并且经视觉化的数据可运算以为用户提供关于焊接的特征和质量的有用反馈。在一些示例性实施例中，反馈数据由基于逻辑处理器的子系统410自动记录并保存在数据储存装置中，例如硬盘驱动器或者其他已知的储存器件。

优选地，基于逻辑处理器的子系统410可以包括存储器，例如RAM、ROM、EPROM、硬盘驱动器、CD ROM、可移除驱动器、闪存等，该存储器可以用特定焊接过程预填充，这些特定焊接过程可以包括已经由有经验的焊工、制造商等定制化的过程。这些过程可以包括与视觉和音频提示相关的信息，例如用于改变视觉和音频提示的属性的指标。这些过程可以包括参数的目标值和目标范围方面的信息，如目的、工作角度、行进角度、工具平衡、行进速度、焊道布置、编排、电压、电流、送丝速度、电弧长度、热量输入、气体流量(计量的)、接触尖端到工件距离(CTWD)、和熔敷速率(例如，磅/小时、英寸/道次)等，基于焊接过程的类型、焊枪的类型、焊接头的类型和取向、被焊接的材料的类型、电极的类型、填充物焊丝(如果有的话)的类型和大小等等。优选地，基于逻辑处理器的子系统410可以实时进行焊接后分析，该分析对焊工(用户)的表现评分。优选地，基于该分析，基于逻辑处理器的子系统410可以提供其他信息，如焊接中潜在存在的错误(例如孔隙度、不完全融合(穿透不足)、焊接中的裂缝、底切、焊接轮廓过薄、焊接轮廓过厚等等)，以及实时和/或在焊接后分析中提供如何避免错误的信息。优选地，随时间追踪用户的进展，这可能有利于辅助训练者标识用户可能需要额外教学的地方。然而，本发明的示例性实施例不限于传统的训练环境，其中焊工(无论初学者、中级者或有经验者)在焊接试样(例如像焊接试样480A)上练习焊接。

本发明的示例性实施例可以用在实际的工作环境中，并且下文进一步讨论的视觉和音频提示辅助焊工进行焊接。例如，初学者可以使用视觉和音频提示来确认焊枪取向适当并且行进速度正确。当例如焊接工件和/或使用填充物焊丝(其材料对焊工而言是新的)、以不熟悉的取向工作、使用非传统的焊接过程等等时，有经验的焊工也可以从视觉和音频提示受益。

图14提供了对根据本发明示例性实施例的结合有焊接应用的系统400的展示图。如在图14中示出的，支架520包括用于与地面或其他水平基底接触的基本上平坦的底座522、刚性竖直支撑柱524、追踪系统(例如摄像机或成像装置)支撑件526、以及用于调整追踪系统支撑件526的高度的齿条齿轮组件531。在一些示例性实施例中，可以将由电动机操作的组件用于调整高度。便携式支架520可以用在训练环境中(其中用户在焊接试样480A上进行焊接操作(真实世界和/或模拟的))和/或用在制造环境中(其中在可以为小到中型物体的工件480B上进行焊接)。当然，本领域技术人员将理解，通过适当的修改，系统400还可以用于较大的工件和建筑场地。在一些实施例中，例如当用于训练时，支架520和所附接的设备可以是便携式的或者至少可以从一个位置移动至另一个位置，因此底座522的总占地面积相对较小，从而允许关于安装和使用的最大灵活性。在其他环境中，例如在制造车间中，支架520和所附接的设备可以固定在特定位置处，例如在焊接间处，该焊接间可以具有其他设备，如通风橱，优选地，支架520和所附接的设备允许任何适当的工件安排，包括但不限于平坦地、水平地、竖直地、悬空地、和错位地定向的工件。在图14中示出的示例性实施例中，支架520被描绘为能够支撑系统400的部件中的一些部件的单一或整合的结构。在其他实施例中，支架520是不存在的，并且系统400的不同部件是由可用的无论什么适当的结构或支撑装置来支撑的。因此，在本披露的上下文内，“支架”520被限定为能够支撑焊接系统400的部件中的一个或多个部件的任何单个结构或替代性的多个结构。

参考图15，现将描述具有安装在面部的显示装置440A的焊工帽罩440的实例。安装在面部的显示装置440A可以被整合到焊工帽罩440中。任选地，替代于整合式的显示装置，系统400可以包括用户作为眼镜佩戴的显示装置。安装在面部的显示装置440A可以包括能够以2D和帧序列视频模式递送流体全运动视频的两个高对比度SVGA 3D OLED微显示器。优选地，焊接环境480的图像(例如视频)经由具有安装在焊工帽罩440上(例如如在图2、图5和图16B中所示地进行安装)的摄像机470A、470B的视频捕捉装置470被提供并显示在安装在面部的显示装置440A上。来自焊接环境480的图像可以叠加有下文讨论的视觉提示。优选地，基于逻辑处理器的子系统410向安装在面部的显示装置440A提供立体视频，从而增强用户的深度感知。作为对用户的辅助，还可以提供放大(例如2倍、3倍等)模式。在一些实施例中，安装在面部的显示装置440A是透过型显示器并且类似于图11的HUD 235地进行构造，带有组合器和透镜(例如自动调暗透镜)，如上所讨论的。

帽罩440经由有线或无线手段(例如在图14中使用无线网络475)操作性地连接到基于逻辑处理器的子系统410和空间追踪器420。如下文所讨论的，传感器(无论被动或主动)可以附接到焊工帽罩440上，从而允许安装在面部的显示装置440A相对于由空间追踪器420所创建的3D空间参考系被追踪。以此方式，焊工帽罩440的运动响应式地改变最终用户所见的视觉提示，使得在用户的视场中视觉提示与物体(例如焊接工具460、焊接试样480A、工件480B等等)对齐。优选地，安装在面部的显示器440A可以显示用于系统400的配置和操作的菜单项。优选地，菜单项的选择可以基于安装在焊接工具460上的控制件(例如按键、开关、旋钮等)来进行。替代地，或者附加于在安装在面部的显示装置440A上显示菜单项，菜单项可以显示在焊接用户界面430的显示装置430A上，并且可以使用传统的输入装置(例如鼠标和键盘)来进行选择。在一些实施例中，对菜单项的选择可以用语音启动的命令来完成。例如，可以通过说出例如“菜单”来显示菜单屏幕，并且可以通过说出例如“上、下、左、右”来完成对菜单屏幕的导航，并且可以通过说出例如“选择”来完成选择。优选地，对菜单项的选择可以通过追踪用户的眼睛来完成。当用户的眼睛聚焦在一个菜单项上时，该菜单项被高亮。优选地，通过眨眼例如眨一次眼、眨两次眼来完成对高亮的菜单项的选择。当然，可以使用焊接工具控制件、音频输入、和眼睛追踪输入的任何组合来在菜单项中导航。例如，眼睛可以用于使菜单项高亮，并且语音命令和/或焊接工具控制件用于选择高亮项。

焊工帽罩440还可以包括扬声器440B，从而允许用户收听音频提示。取决于某些焊接或表现参数是否处于容差之内或之外，可以提供不同的声音。例如，如果行进速度过高可以提供预定声调，而如果行进速度过低可以提供不同的预定声调。声音可经由扬声器440B提供给用户，这些扬声器可以是耳塞扬声器或任何其他类型的扬声器或声音生成装置，其被安装在焊工帽罩440中和/或分开地安装在例如焊接台上。此外，可以选择在参与焊接活动的同时向最终用户呈现声音的任何方式。在此也指出可以通过扬声器440B传送其他类型的声音信息。实例包括呈实时或经由预先录制的消息形式的来自指导者或专家的言语指导。预先录制的消息可以由特定的焊接活动自动触发。可以在现场或从远程位置生成实时指令。此外，可以向最终用户传达任何类型的消息或指令。

优选地，确定焊接工具460和焊工帽罩440的取向包括用一个或多个成品高速视觉摄像机捕捉相应物体的图像，这些摄像机可以安装在支架520的追踪系统支撑件526上或相对于焊接环境480固定的另一个位置。优选地，处理所捕捉的图像包括以每秒许多帧(例如超过100)创建图像文件。优选地，所述一个或多个摄像机典型地捕捉至少两个点标记，这些点标记在相应的物体、焊接工具460和焊工帽罩440中的每一者上以彼此固定的几何关系定位22。当然，焊接环境480中的其他物体(如焊接试样480A和工件480B)可以包括点标记，使其位置和取向也可以基于由摄像机捕捉的图像来确定。优选地，处理所捕捉的图像是在空间追踪器420和/或基于逻辑处理器的子系统410中进行的。

如上所讨论的，在3-D空间(包括焊接环境480)中追踪物体可以通过使用物体(例如焊接工具460、焊工帽罩440、焊接试样480A、工件480B等)上的点标记来完成。例如，如在图16A中所见，目标600安装在焊接工具460上。通过将多个主动或被动点标记602、604和606(以及可能的额外点标记)附接至目标600的上表面来构造刚体点云(即，“刚体”)。被动式点标记可以是例如反射型标记，例如像粘性附接到目标600或通过其他已知手段附接的反射带或贴纸。主动式标记可以包括LED(例如红外LED)或例如紧固到目标600的其他传感器。当然，其他点标记布置是可能的并且落入广义发明概念的范围内。如果所使用的这些点标记是主动的并且需要电源，则目标600可以包括功率输入。当然，如果希望的话，点标记可以直接附接或安装在“刚体”上，例如焊接工具460或焊工帽罩440，而不使用分开的目标。例如，如在图16B中所示，点标记652、654、656、658和660放置在焊工帽罩440上。将被动式或主动式的点标记以多立面的方式附着到目标600和/或直接附着到焊接工具460和焊工帽罩440上，使得可以在成像系统的视场内适应大范围的旋转和取向变化。对应于焊接工具460和焊工帽罩440的点标记分别被相关或校准，以便形成“刚体”，即，焊接工具460的本体620、扳机622、喷嘴624和尖端626具有相对彼此已知的空间关系，并且显示器440A和焊工帽罩440的本体具有相对彼此已知的空间关系。此外，在校准“刚体”之后，可能需要另外的校准步骤来将“刚体”对其他点校准。例如，在焊接工具460的情况下，由点602、604和606形成的“刚体”则可以使用点628与626之间已知的距离来与点628相关或对该点校准。焊接工具和焊工帽罩对追踪系统的校准是在本领域中已知的，并且因而为了简明起见将不再进一步讨论。在操作过程中，空间追踪器420使用追踪系统(例如像Optitrack Tracking Tools或类似硬件/软件)来定位和追踪刚体。

然后图像处理包括对包括三个或更多个点标记的刚体(即经校准的目标，其可以包括焊接工具460和焊工帽罩440)的逐帧点云分析。一旦辨识识别已知刚体，则计算相对于摄像机原点和“受训”刚体取向的位置和取向。校准和“训练”空间追踪器420以识别刚体(如焊接工具460和焊工帽罩440)在三维空间中的位置和取向在相关领域中是已知的，并且因而为了简明起见将不再详述。例如，空间追踪器420可以包括任何适合的捕捉系统，例如，(由俄勒冈州科瓦利斯的NaturalPoint公司提供的)Optitrack Tracking Tools或者提供三维标记和实时的六自由度物体移动跟踪的类似的可商购或专有硬件/软件系统。这种技术典型地利用以预先确定的图案安排的反射和/或发光点标记，从而创建由系统成像硬件和系统软件解读为“刚体”的点云，尽管其他合适的方法与此发明兼容。系统成像硬件和软件可以结合到基于逻辑处理器的子系统410中。

优选地，使用多于一个摄像机来追踪焊接工具460和焊工帽罩440。捕捉和比较来自两个或更多个摄像机的图像允许基本上准确地确定焊接工具460和焊工帽罩440在三维空间内的位置和取向。典型地以每秒多于100次的速率对图像进行处理。本领域普通技术人员将理解，可以使用更小的采样速率(例如，10图像/秒)或更大的采样速率(例如，1000图像/秒)。图像处理的输出方面包括创建数据阵列，该数据阵列包括x轴、y轴和z轴位置数据以及横滚、俯仰和偏航取向数据、以及时间戳和软件标记。文本文件(包括焊接工具460和焊工帽罩440的6-D数据)可以被空间追踪器420以希望的频率流式传输或发送到基于可编程处理器的子系统410，或者在一些实施例中由基于逻辑处理器的子系统410生成。虽然上述空间追踪器420的示例性实施例被描述为基于点云图像分析的基于单或多摄像机的追踪系统，但本领域技术人员理解，可以使用其他类型的追踪系统，例如基于磁场的追踪器、基于加速计/陀螺仪的追踪器、光学追踪器、红外追踪器、声学追踪器、激光追踪器、射频追踪器、惯性追踪器、主动或被动光学追踪器、以及基于混合的现实和模拟追踪。此外，虽然摄像机470A、B在上文被描述为给系统400提供用户的“视场”，但摄像机470A、B也可以被配置成替代于追踪系统526上的摄像机而用于追踪焊接环境480中的物体。当然，必须使用焊接环境480中的合适的交替的固定参照点，因为摄像机470A、B将随着用户的移动而移动。

在示例性实施例中，图17展示了系统400中的基本信息流。为了清晰起见，以使用追踪摄像机的示例性实施例来说明信息流。然而，如上所讨论的，也可以使用其他类型的追踪系统。在块510中，系统400捕捉关于焊接工具460的位置、取向和运动的空间信息。在块520中，系统400还捕捉带有安装在面部的显示装置440A的焊工帽罩440的位置、取向和运动。在块530中，处理焊接工具460和焊工帽罩440的空间追踪信息，以确定焊接工具460和焊工帽罩440在三维空间中相对于焊接环境480的位置和取向，并且优选包括创建用于焊接工具460和焊工帽罩440的6-D数据文件。

在块550中，捕捉来自一个或多个安装在例如焊工帽罩上的摄像机的数字图像数据(例如视频)以在例如数据处理块540中进行处理。在块560中，捕捉焊接过程参数，例如由焊接设备(例如焊接电源(例如电流、电压等)、送丝器(送丝速度等)、热丝电源(电流、电压、温度等)、或其他焊接设备)传送的那些，以便在块540中进行处理。优选地，焊接过程参数还可以包括热量输入(可以例如使用焊接电流、焊接电压和行进速度来计算)、电弧长度(可以基于焊接电压来确定)和其他计算的焊接参数。

优选地，块540中的数据处理包括将来自安装在帽罩处的摄像机的焊接环境480的视图与块530中处理的追踪数据(即，所追踪的焊接工具和所追踪的焊工帽罩的6-D数据)相关联。例如，物体(如焊接工具460、焊接试样480A和工件480B)的位置和取向信息被映射到由图像捕捉装置470捕捉的图像数据。优选地，来自块560的焊接过程参数用所映射的图像和追踪数据来处理以创建图像流，该图像流示出具有视觉提示的焊接环境。

在一些示例性实施例中，基于焊接过程参数和追踪数据的音频提示也在块540中生成，以创建可以与图像流一起传送到焊工帽罩440的音频流。优选地，将图像流和音频流组合以创建发送到焊工帽罩440的复合声像流。一般而言，块540中的数据处理步骤包括用于生成焊接参数的目标值和目标范围的算法，例如像目的、工作角度、行进角度、工具平衡、行进速度、焊道布置、编排、电压、电流、送丝速度、电弧长度、热量输入、气体流量(计量的)、接触尖端到工件距离(CTWD)和熔敷速率、TIG填充物添加频率，使用针对所选择的焊接过程、接头类型、被焊接的材料、接头取向等等的算法。块540中的数据处理步骤还包括用于基于焊接过程参数和所追踪的数据来生成视觉和音频提示的算法、以及用于在帽罩内显示器上适当地放置视觉和音频提示的算法，如下文所讨论的。

如在步骤570中所见，将块540中处理的数字图像数据和音频数据传送到外部装置。图像数据可以在例如监视器、帽罩内显示器、平视显示器或其组合上观看，而音频数据(例如音频辅导、警报、音调等等)可以引导至外部扬声器、帽罩内扬声器、耳塞等等。例如，数字图像数据和音频数据可以传送至焊工帽罩440的安装在面部的显示器440A和扬声器440B并且任选地传送到焊接用户界面430的显示装置430A。数字图像数据和音频数据分别包括与焊接数据相关的视觉和音频提示。例如，视觉和音频提示涉及但不限于目的、工作角度、行进角度、工具平衡、行进速度、焊道布置、编排、电压、电流、送丝速度、电弧长度、热量输入、气体流量(计量的)、接触尖端到工件距离(CTWD)、熔敷速率、TIG填充物添加频率。基于所输入的数据，基于逻辑处理器的子系统410还可以生成触觉反馈，如果如此配置的话将其发送到焊接工具460。例如，如果焊接过程进入警报状态，可以触发焊接工具460上的振动器。另外，焊接工具460可以使用例如LCD、LED等提供视觉反馈。优选地，在用户对例如真实和/或模拟的焊接试样480A或工件480B进行焊接时，该反馈(无论是视觉、音频或触觉)实时呈现给用户。

在优选实施例中，视觉和音频提示可以提供给用户以在焊接过程中辅助用户。视觉提示可以表现为字母数字型字符、符号、图形、图标、颜色等。音频提示可以呈音调、警报、蜂鸣、音频指令(现场的或预录制的，人声或者计算机合成语音)的形式。视觉提示可以显示在安装在面部的显示装置440A的显示器上的任何希望的位置。例如，图18展示了当透过安装在面部的显示装置440A观看时用户所见的显示器441上的焊接环境480的图像。取决于焊工帽罩的类型，显示器441是可以示出焊接环境480的视频的监视器、或者是带有带组合器的自动调暗焊接透镜的HUD。优选地，视觉提示可以直接映射到显示器441上的任何希望的位置，例如看到720电弧长度和热量输入直接映射在显示器441上。在一些实施例中，视觉提示被提供在一个或多个图像窗口702中，这些图像窗口可以放置在显示器441的角落中、沿顶部、底部或侧边、或者显示器441上的任何其他希望的位置。优选地，相关的视觉提示可以在窗口702中分组到一起。例如，电流、电压和送丝速度可以在窗口702中成组。这允许用户在窗口中将所有这些视觉提示看作单一的单元，以方便焊接设定。图像窗口702可以如所希望地移动，例如通过使用焊接工具460上的合适的控制件、语音命令等等。由视觉提示提供的信息可以关于但不限于参数，例如像目的、工作角度、行进角度、工具平衡、行进速度、焊道布置、编排、电压、电流、送丝速度、电弧长度、热量输入、气体流量(计量的)、接触尖端到工件距离(CTWD)、TIG填充物添加频率等。

在一些实施例中，如在图18中所示，当在显示器441上观看时，视觉提示700可以叠加在焊接环境480中的物体上或附近。例如，视觉提示700可以链接到发送给显示装置440A的图像流中的焊接工具460，以便“附接”到焊接工具，即视觉提示700随焊接工具460移动。优选地，视觉提示700可以附接到焊接环境480中的任何物体，即使该物体并非被设计为可移动的，例如像焊接试样480A或工件480B。优选地，视觉提示700是半透明的，其方式为，用户将能够看到焊接环境中由视觉提示覆盖的物体。在用户可以直接观察焊接环境480的情况下，视觉提示700可以被“附接”到屏幕上基于来自空间追踪器420的信息而计算出的相关物体(例如焊接工具460、焊接试样480A、工件480B、焊接头等等)在用户“视场”中的位置。在这两种安装在面部的显示器中，基于来自空间追踪器420的6-D信息，基于逻辑处理器的子系统410可以计算视频图像或显示器441上物体(例如焊接工具460)将所在的X和Y坐标，并且子系统410然后可以将视觉提示700映射到视频图像或显示器441上对应于该物体的适合的X和Y坐标。例如，如在图18中所见，用于CTWD 704、工作角度706和行进速度708的视觉提示700叠加在焊接工具460上。当焊接工具460移动时，视觉提示CTWD 704、工作角度706和行进速度708将随焊接工具460移动，以便保持对焊接工具460相同的相对位置。相反，如上文所讨论的，其他视觉提示可以固定到显示器441上的位置。例如，如焊接电压712、焊接电流714和送丝速度716等视觉提示固定地在窗口702中映射到显示器441的角落，并且视觉提示720固定地映射到显示器441上的位置。视觉提示还可以固定到对应于固定物体(如焊接试样480A或工件480B)的位置。视觉提示700可以映射到显示器441上的任何希望的位置。优选地，基于逻辑处理器的子系统410映射视觉提示700，使得焊接操作的某些方面(例如像电弧和焊接头)不被视觉提示700阻挡。为了了解物体(如焊接试样480A、工件480B和/或焊接头)定位在何处，系统400可以使用如上讨论的点标记(或一些其他类型的追踪系统)。于是空间追踪器420和/或基于逻辑处理器的子系统410可以基于分析来自追踪摄像机的数字图像来自动标识焊接环境480中的物体。优选地，如果基于可编程处理器的子系统410确定了焊炬或一些其他障碍物的移动将干扰用户查看焊接操作和/或视觉提示的能力，则视觉提示700自动地移动在显示器441上的位置。

所追踪的参数(如焊接工具460的位置、取向和移动)以及焊接过程参数(如焊接电压、焊接电流、送丝速度等)可以与用于焊接过程类型(例如GMAW、FCAW、SMAW、GTAW)、焊接头的取向和类型、材料类型等的上下目标阈值、目标值、或优选变化进行比较。上下阈值或优选变化可以是基于专家焊工的运动、基于计算机模型、先前类似焊接的测试等等。例如，当焊工进行焊接(例如专家焊工、指导者、受训者等)时，记录了焊工的焊接工具460的位置、取向和移动以及焊接过程参数如焊接电压、焊接电流、送丝速度等。在完成焊接之后，焊工可以选择适合的菜单项来“克隆”此过程。然后将“克隆的”过程储存并且可以将其用作未来焊接过程的参考。优选地，上下目标阈值、目标值或优选变化可以由焊工手工录入并且更优选地使用默认值(例如±5％或其他适合的值)自动地录入。优选地，上下目标阈值、目标值或优选变化是可由用户配置的。

优选地，当焊接工具460的位置、取向或移动和/或焊接过程参数落在上下目标阈值、目标值或优选变化之外时，基于可编程处理器的子系统410改变适合的视觉提示的属性，例如颜色、形状、大小、强度或亮度、位置和/或某些其他特征。例如，基于可编程处理器的子系统410可以取决于偏差量而将视觉提示的颜色从绿色变为黄色变为红色，和/或视觉提示可以以图形方式示出与目标的偏差量。例如，如在图18的部分A所见，行进速度708使用在计量条型图形上的指针732示出目标值T和与目标值730的偏差量。如在部分A所见，当前行进速度略快。对于CTWD 704，指示物734相对于目标736移动，如由箭头738示出。对于工作角度706，准星740相对于目标圆742移动。当然，图形的类型和展示偏差的方法并不仅限于这些优选实施例。优选地，一个或多个视觉提示700可以被编程为，当与视觉提示相关联的追踪参数和/或焊接过程参数从目标偏离(例如落在对于此类焊接过程的上下目标阈值、目标值或优选变化之外)时，改变视觉提示700的一个或多个属性，例如像颜色、形状、大小、强度或亮度、位置和/或某些其他特征。优选地，当确定视觉提示的一个或多个属性的变化时，将偏差量纳入考虑。例如，如果视觉提示700在对于此类焊接过程的上下目标阈值之内、在目标值处(可接受的容差之内)或优选变化之内，视觉提示700可以具有绿色。如果相关联的参数落在对于此类焊接过程的上下目标阈值之外、目标值之外(例如在可接受的容差之外)或优选变化之外相差第一预定量或警告等级(例如将产生可接受的焊接但非最佳焊接的偏差)，视觉提示700可以被编程为改变其颜色(例如变为黄色)、形状、大小、强度或亮度、位置和/或某些其他特征，以对用户提供警告。优选地，系统400提供一个或多个警告等级或者一个或多个视觉提示700。除了提供一个或多个警告等级以外，如果相关联的参数落在对于此类焊接过程的上下目标阈值之外、目标值之外(例如在可接受的容差之外)或优选变化之外相差第二预定量或警报等级(大于第一预定量)，视觉提示700还可以被编程为进一步改变其颜色(例如变为红色)、形状、大小、亮度、位置和/或某些其他特征，以对用户提供警报。例如，第二预定量或警报等级可以是将可能产生不可接受的焊接的偏差。优选地，系统400提供用于一个或多个视觉提示700的一个或多个警报等级。优选地，可以改变视觉提示700的属性的任何组合。例如，可以改变视觉提示700的颜色、大小、亮度和/或任何其他属性的任何组合。当然，任何数量和组合的警告和警报等级可以被编程到基于逻辑处理器的子系统410中。

视觉提示700并不受限于仅提供警告和警报。在本发明的示例性实施例中，视觉提示700可以辅助为用户标识焊接开始位置、焊接停止位置和焊接总长度。例如，在并不焊接两个工件之间的整个接头而是仅焊接某些部分的情况下，视觉提示700可以通过具有标记(例如像在开始位置处的绿色点)和第二标记(例如像在停止位置处的红色点)来辅助用户标识开始位置。在一些实施例中，视觉提示辅助实现适当的焊接长度。例如，在开始位置处(或显示器441上的任何其他希望的位置处)开启指示(例如绿色点)以开始焊接，并且用户进行焊接直到指示关闭或改变颜色以实现所希望的焊接长度。优选地，视觉提示700辅助待遵循的焊接顺序。例如，如果焊接应当从工件的中央并向外到末端进行以便减少工件中的应力，则视觉提示700可以例如通过以文本显示消息(例如在显示器441的角落)或通过使用视觉提示700如上所讨论地标识开始位置、停止位置和焊接长度来提醒用户。在一些实施例中，视觉提示700提供对焊接进程的指示。例如，视觉提示可以在例如显示器441的角落中或某个其他所希望的位置提供焊接头的完成百分比和/或提供多道次焊接中的道次数的指示。优选地，视觉提示700还辅助用户进行焊接。例如，在要求编排图案的焊接过程中，视觉提示可以提供指示，例如在焊接工具尖端的末端处以优选的编排图案循环的亮点，以便用户在焊接时复制该图案。类似地，当进行TIG焊接操作时，视觉提示可以指示填充物焊丝应添加至焊接熔池的适当频率。例如，脉动标记(例如改变亮度的绿色点)可以显示在焊接工具尖端的末端并且用户知道以脉动的频率来添加填充物焊丝，例如每当标记为打开或较亮时(或当标记为关闭或较暗时)将填充物焊丝浸入焊接熔池中。

音频提示也可以用于辅助用户。例如，类似于视觉提示，如果焊接工具460的位置、取向或移动和/或焊接过程参数落在对于此类焊接过程的上下目标阈值之外、目标值之外(例如可接受容差之外)或优选变化之外，则可以将音频警告和警报发送到焊工帽罩440中的扬声器以提醒用户。警告可以呈任何音频格式，例如不同频率的音调、蜂鸣和语音提醒。不同的频率和/或音高可以给用户指示哪个参数不在目标处以及偏差量。优选地，基于逻辑处理器的子系统410提供语音提醒以告知用户存在问题。例如，语音提醒可以指示用户行进速度过快或过慢。语音提醒可以为用户在进行任何所需的改正方面提供指导或建议。类似于上文讨论的视觉提示，语音提醒也可以辅助用户进行焊接，例如编排图案、TIG焊接、开始和停止指示物、焊接长度、顺序和/或焊接进程。可以替代上文讨论的视觉提示来提供音频提示。优选地，由基于逻辑处理器的子系统410提供音频提示和视觉提示的组合。

优选地，视觉和音频提示可以由用户选择性地打开或关闭。此外，在视觉提示方面，用户可以选择是否在显示器441上的所希望位置(例如像在显示器441的角落或沿其侧边之一)固定地定位视觉提示700、或者将视觉提示700“附接”到显示器441上的物体(例如像焊接工具460)。在一些实施例中，用户441可以单独地选择视觉提示700或音频提示以将其打开或关闭。优选地，视觉提示700和/或音频提示被分组，使得用户可以选择将一组提示打开或关闭。例如，与来自焊接电源450的信息相关的提示可以被分组到一起，而与焊接工具460相关的信息可以被分组到一起。分组可以被预编程或例如由用户定制编程。在一些实施例中，用户可以使用显示器441和例如焊接工具460上的用户控制件或者遥控装置，以将视觉或音频提示启动或解除启动。优选地，用户可以使用焊接用户界面430用于将提示启动和解除启动。在一些实施例中，用户可以使用语音命令将提示启动和解除启动。例如，用户可以说出“第1组开启”以启动与焊接工具460相关的视觉提示和/或音频提示。为了将第1组视觉提示“附接”到焊接工具460，用户可以说出“第1组附接”。在一些实施例中，如上所讨论的眼睛追踪可以用于高亮并选择适当的菜单项以将提示启动和解除启动。

在优选的示例性实施例中，当用户进行焊接时，储存与焊接工具460的位置、取向和移动相关的焊接数据和/或焊接过程参数。所储存的数据可以被检索以用于训练或认证目的的后续回顾。例如，基于可编程处理器的子系统410可以储存焊接数据(例如作为*.dat文件)，以便在稍后的时间回顾进程和/或焊工的表现。在一些实施例中，所储存的焊接数据可以用作视觉和音频提示的目标值。所储存的目标焊接数据可以是专家焊工成功焊接的数据或甚至用户先前成功焊接的道次的数据。在一些实施例中，所储存的目标焊接数据是基于用于特定焊接类型和/或先前类似焊接测试的计算机建模。优选地，所储存的目标焊接数据包括与焊接编排图案、TIG焊接信息(例如填充物频率)、焊接开始和停止指示物、焊接长度、焊接顺序和焊接进程相关的信息。当焊接操作开始时，基于所储存的目标焊接数据的视觉和音频提示将辅助用户创建新的焊接。通过使用目标焊接数据，即使有经验的焊工也可以受益，因为视觉和音频提示可以在进行不熟悉的焊接顺序、不常用的焊接头配置等方面提供引导。

优选地，可以将用于训练焊工(无论初学者还是有经验者)的焊接系统训练软件加载到基于逻辑处理器的子系统410中并由该子系统执行。用户选择适当的焊接训练程序并开始进行焊接。在用户进行焊接时，训练软件监测并记录用户的表现。一般而言，在相关领域的真实焊接训练系统中，焊接设备如电源、送丝器、热丝电源等并不与焊接训练计算机通信。这意味着，在用户选择要运行的焊接训练程序之前或之后，用户必须基于所选择的焊接训练课程来设定电源和可能的其他焊接设备，如送丝器和/或热丝电源。典型地，焊接设备(例如电源)远离焊接训练区域定位。这意味着，对焊接设备(例如电源)的设定的任何改变或验证将要求用户离开训练区域，并且在焊接训练课程过程中可能多次走到焊接设备处，这可能变得很麻烦。

因为在用户进行焊接时焊接工具460和/或焊工帽罩440的追踪和监测在上文相对于系统400进行了讨论，为了简明起见，将不再重复所述追踪和监测。此外，以下的示例性实施例将在与电源通信的焊接训练系统方面进行说明。然而，本领域技术人员将理解，焊接训练系统也可以与其他焊接设备如送丝器、热丝电源等通信。

在示例性实施例中，用户可以使用安装在面部的显示装置440A或连接到焊接用户界面430的观察器/设定显示装置430A来与如电源450等焊接设备通信。优选地，除了监测电源450的输出(如上所讨论的，如电压和电流)之外，用户还可以设定、查看和改变电源450的设定。优选地，用户使用焊接用户界面430的显示器430A和输入装置430B(例如键盘、鼠标、或任何其他已知的输入装置)经由基于逻辑处理器的子系统410来与电源450通信。优选地，在登录屏幕上提供登录信息之后，用户可以选择设定屏幕以设定焊接设备的参数。图19展示了用于设定、查看和/或改变电源设定的设定屏幕800的示例性实施例。屏幕800包括可以经由输入栏手动改变的电源设定。如在图19中所见，用户可以设定电源450的焊接模式。例如，取决于电源的类型，用户可以例如通过使用下拉框802或一些其他输入手段来选择电源450的工作模式，例如像GMAW、FCAW、SMAW、GTAW。取决于选择，可以使用户能检视并改变(如果需要的话)一个或多个额外的参数804。例如，如在图19中所见，已经示出了如波形类型(短电弧焊接、脉冲焊接等)、输出电压和输出电流的设定，以便查看和/或修改。当然，其他参数如极性(正或负)、惰性气体流量设定等也可以对用户可用。类似于焊接模式设定，为这些参数804中的每一个参数选择值可以经由下拉框802或一些其他的输入手段来进行。优选地，参数设定可以具有初始的默认值，以便将用户的设定时间最小化。在一些实施例中，电源450和/或基于逻辑处理器的子系统410也可以与送丝器、热丝电源、或一些其他的焊接设备通信。用于其他设备的设定还可以经由屏幕800和/或其他设定屏幕来进行。例如，如在图19中可见，送丝速度还可以使用下拉框802或另外的输入手段来输入。

在一些示例性实施例中，安装在面部的显示器440A可以用于查看、设定和改变焊接设备(如电源450、送丝器、热丝电源等)上的设定。可以在焊接操作前将显示器展示给用户，并且用户可以使用例如语音命令、眼睛追踪和/或其他输入装置在选择屏幕中导航。在一些实施例中，可以使用手动遥控装置。在与用户可以透过显示器440A观看的情况下，与焊工帽罩440一起使用时，手动遥控装置可以是尤其有用的。在任一种类型的安装在面部类型的显示器440A中，用户可以在开始焊接训练课程之前在设定屏幕中导航并检查设定。如果出于任何原因需要修改设定，则用户可以立即改变设定而非必须停止并走到焊接设备处改变设定。

焊接设备(例如电源450)和/或基于逻辑处理器的子系统可以包括将屏幕800传送到显示器440A和/或430A的软件。例如，基于可编程处理器的子系统410可以包括从用户接收信息请求并且从焊接设备检索信息的软件。优选地，屏幕800是由以基于可编程处理器的子系统410和/或电源450或一些其他焊接设备为主机的网页服务器传送的网页。在一些实施例中，可以使用基于应用的系统。这样的客户端-服务器型软件对本领域技术人员是已知的，并且因此将不再进一步讨论，除非是描述本发明的示例性实施例所需的。

优选地，电源450和/或其他焊接设备基于用户选择的焊接训练课程自动地设定。例如，如在图20中所见，在屏幕810上，用户可以选择在焊接训练课程中要进行的焊接过程。优选地，焊接过程确定了焊接模式的类型(例如GMAW、FCAW、SMAW、GTAW)、焊接试样的类型(例如管、板等)、焊接头的取向(竖直、水平)等。优选地，基于选择来确定用于适合的焊接设备(如焊接电源450、送丝器、热丝电源等)的默认设定并且在屏幕800上自动填充并呈现给用户以便检视(见图19)。优选地，如果希望的话，用户可以修改设定，如上文所讨论的。优选地，设定了安全措施，使得用户只能在对于所选择的焊接过程和/或焊接设备而言安全和/或实际的范围内改变设定，例如可以将安全措施设定就位，使得用户不能将设定改变为产生对用户或焊接设备而言危险的状况。优选地，安全措施是基于用户的技术水平和/或所选择的焊接过程的类型。一旦做出了选择，基于可编程处理器的子系统410就可以将所选择的焊接程序的设定传送到电源450和/或其他设备，如送丝器、热丝电源等。通过为所选择的焊接过程提供默认值并且自动更新电源450和/或其他设备上的设定，在焊接课程开始之前用户不正确设定电源450和/或其他设备的可能性更低。当然，用户仍然可以有查看和改变默认设定的选项，例如通过使用屏幕800，如上文所讨论的。

优选地，基于可编程处理器的子系统410和电源450(和/或一些其他焊接设备)经由网络475通信(见图14)。虽然展示为无线网络，但该网络可以是有线的或两者的组合。优选地，该网络是以太网，但也可以使用其他类型的网络，如Arclink、CAN等。除了与电源450通信，基于可编程处理器的子系统410可以与一个或多个其他的基于可编程处理器的子系统及其相应的电源经由内联网、WAN、LAN、互联网等通信。优选地，将监测设备连接到网络475，例如经由WAN、互联网等，使得指导者、其他受训者或任何其他感兴趣的团体可以从另一个地点在基于可编程处理器的子系统410上监测受训者/焊工，例如从场地外地点远程监测。优选地，通过从相应的基于可编程处理器的子系统上传信息，基于网页和/或基于应用的界面可以用于监测一个或多个受训者/焊工的进展。例如，观察者可以在远程控制台上显示一个或多个受训者/焊工的进展，该远程控制台经由内联网或互联网连接到网络475。显示可以使用任何适合的格式，如图表、图形、文本、数值等以示出受训者/焊工的进展。

在本发明的优选实施例中，当用户按压焊接工具460的扳机时，电源450向基于处理器的子系统410发送信号，指示焊接过程(无论是真实的还是模拟的)已经开始。当然，在模拟焊接时，电源450不提供真实世界的电压或电流输出，并且任何电压、电流和功率读数都是随模拟焊道一起模拟的。基于处理器的子系统410可以使用扳机信号来开始记录用户的表现。例如，一旦基于处理器的子系统410接收到扳机信号，指示焊接已经开始，则基于处理器的子系统410就可以开始记录用户的表现参数，如CTWD、行进速度、工作角度、行进角度和目的。此外，基于逻辑处理器的子系统410可以包括来自焊接设备的参数，如焊接电压、焊接电流、送丝速度、热丝电流等。优选地，如在图21中所见，表现参数例如CTWD、行进速度、工作角度、行进角度和目的中的一个或多个，以及焊接电压、焊接电流、送丝速度等中的一个或多个可以绘制在图表850上，该图表被示出在例如显示器430A上，使得观察者例如指导者可以查看用户的焊接课程。优选地，绘图的参数中的每一个具有上下阈值和/或最佳值，这些值与实际值一起显示在图表850上。优选地，对于一个或多个所绘制的参数，将基于表现或焊接设备参数停留在上下阈值内和/或基于表现或焊接设备参数与最佳值偏差的分数提供在显示器430A上。优选地，单独的分数中的一个或多个用于生成指示焊工表现和/或焊接质量的总分数。优选地，基于处理器的子系统410提供对焊接中的潜在缺陷(例如孔隙度、不完全融合(穿透不足)、焊接中的裂缝、底切、焊接轮廓过薄、焊接轮廓过厚等等)的分析。优选地，图表850实时显示在显示器430A上或远程计算机上。如上文所指示的，用于焊接课程的数据可以在稍后的时间进行储存和分析。因而，图表850和/或任何其他信息可以在稍后的时间显示或打印以用于分析。

在一些实施例中，焊接设备自身可以在进行焊接时提供焊接课程的分数。例如，Lincoln Electric PowerWave^TM焊接电源在整个焊接课程中基于电流值、电压值以及电流和电压值稳定度来提供焊接分数。优选地，焊接分数结合到总分数中。优选地，经由安装在面部的显示器440A将焊接分数的实时指示提供给用户，例如像上文所讨论的视觉提示。对于模拟焊接，用户可以练习设定焊接电源450，并且基于处理器的子系统410可以与焊接电源450通信以确定用户是否适当地设定了机器。优选地，如果焊接电源450被不正确地设定，则基于处理器的子系统410可以被配置为使得用户将不能继续和/或分数将受到负面影响。

优选地，当用户正在焊接时，所绘制的参数或分数中的一个或多个实时地经由安装在面部的显示器440A提供给用户，例如像所绘制的图表或如上所讨论的视觉提示。在一些实施例中，基于上下阈值和/或与最佳值的偏差，每当参数进入警告状态或警报状态时，这些参数的属性可以如上所讨论地改变。

在另一个示例性实施例中，除了上文讨论的视觉和音频提示之外，系统400可以实时地将虚拟物体叠加在焊接环境中的真实世界物体上或上方，以提供焊接环境的混合的现实和模拟场景。优选地，虚拟物体通过基于逻辑处理器的子系统410生成。虚拟物体可以包括可以在进行焊接(例如真实世界焊接、模拟焊接或其组合)时辅助或训练用户的任何物体，无论是在训练环境中还是外出到现场，例如制造地点或建筑地点。优选地，基于逻辑处理器的子系统410实时生成要叠加在焊接环境480上的虚拟物体，使得用户在焊接过程中可以在显示器441上看到虚拟物体。在一些实施例中，生成的虚拟物体也可以传送到显示器430A，以由其他观察者如焊接指导者观看。

图22展示了在用户的焊接操作过程中，如由用户经由例如安装在面部的显示装置440A的显示器441所见的和/或由另一个观察者在显示器430A上所见的焊接环境480的示例性视图。焊接环境480的视图包括真实世界物体，例如像焊接工具460(包括任何电弧)、焊接试样480A或工件480B(包括任何焊接熔池)、焊缝480D和焊接头480C。当然，取决于课程的类型，焊接工具460(包括电弧)、焊接试样480A或工件480B(包括焊接熔池)、焊缝480D和焊接头480C中的一者或所有可以是模拟的或是真实世界与模拟的混合。例如，对于模拟焊接课程，焊缝480D和焊接头480C可以是模拟的。在一些课程中，焊接工具460、焊接试样480A或工件480B、焊缝480D和/或焊接头480C中的一者或多者可以是真实世界的物体，该物体叠加具有模拟的纹理、形状等以采取真实世界物件的形态。例如，焊接试样480A或工件480B可以是用虚拟物体叠加的简单的真实世界物体，以模拟复杂的零件(例如汽车车桥或某种其他真实世界零件、装置或部件)。然而，为了简明和清晰起见，在描述此示例性实施例中，焊接工具460、焊接试样480A或工件480B、焊缝480D和/或焊接头480C在图22和图23中描绘为真实世界物体。优选地，显示器441上的视图还包括视觉提示700，如上文所讨论的。例如，工作角度706展示在图22中。然而，其他视觉提示700也可以包括在显示器441中，如上文所讨论的。除了真实世界物体和视觉提示700，优选实施例还可以生成虚拟物体并将其叠加到由图像捕捉装置470捕捉的真实世界图像信号(例如视频)上，或者在具有透过型透镜(例如自动调暗透镜)的HUD的情况下叠加到发送至HUD的组合器的图像信号上，如上文所讨论的。

例如，如在图22中所见，虚拟物体900叠加到用户所见的真实世界焊接环境480上。虚拟物体900可以包括为用户提供信息以辅助进行焊接操作和/或提供用户的表现和/或焊接质量信息的任何物体。优选地，虚拟物体900可以具有与上文关于视觉提示700讨论的那些类似的属性。例如，虚拟物体900可以具有例如像颜色、形状、大小、强度或亮度、位置和/或某种其他特征的属性，这些属性可以被显示和/或改变以在焊接过程中辅助用户和/或提供关于焊接和/或用户表现的信息。然而，尽管虚拟物体900可以执行与视觉提示700类似的功能，虚拟物体是物体的虚拟表示，例如可以在典型的真实世界焊接环境中存在的物体(焊缝、壁、管、悬垂障碍物或可以虚拟地生成以在焊接训练中辅助用户的任何其他物体)。

例如，基于逻辑处理器的子系统410可以生成虚拟焊接物体904，该物体在视觉上示出用户应将焊缝放置在试样/工件480A、B上的何处。类似于上文讨论的焊接起点/停止点视觉辅助，焊接物体904示出用户应将焊缝放置在何处以及焊缝应具有的长度。例如，如在图22中所见，虚拟焊接物体904在用户正在焊接的位点示出，以辅助用户示出当前焊缝应当多长以及在何处停止焊接。此外，在试样/工件408A、B左端处的虚拟焊接物体904在视觉上为用户指示在当前焊缝完成之后的下一个焊缝应放置在何处。优选地，虚拟焊接物体904是部分透明的，使得用户对焊接头480C的视线不受阻挡。另外，虚拟焊接物体904的某些属性可以改变或与其余虚拟焊接物体904不同地显示，以提供可能辅助用户的信息。例如，如在图23中所见，真实世界物体如试样/工件480A、B以及焊接头480C在显示器441上对用户可见。在图23中，焊接头480C不是直路径并且焊接头480C的一些区段包括曲线。为了辅助用户经过曲线的焊接路径，在示例性实施例中，虚拟焊接904可以叠加到焊接头480C上。例如，图23示出叠加到焊接头480C上的具有曲线904A和904B的虚拟焊接物体904。虽然仅显示虚拟焊接接头904在焊接之前对用户提供了焊接路径为曲线的指示，但在实际焊接过程中用户的注意力将放在炬尖并且当用户命中曲线904A、B时用户可能无法立即意识到焊接路径走向了不同方向。为了进一步辅助用户，当用户接近曲线904A、904B时，虚拟焊接物体904的属性和/或虚拟物体904的一部分可以变化。例如，虚拟焊接物体904的曲线904A、B的颜色、形状、大小和/或强度(或亮度)可以变化以辅助用户。在图23的实施例中，分别沿虚拟焊接物体904的曲线904A、B的属性950A和950B可以与虚拟焊接物体904的其余部分不同地显示和/或可以当焊接工具460在曲线904A和/或904B处(或恰在其之前)时改变，以便通知用户存在焊接路径的方向上的变化。例如，属性950A和950B可以被设定为与虚拟焊接904的其余部分不同的颜色。另外，可以将不同颜色指派给属性950A和950B，以指示在接头480C的焊接路径中变化的方向。例如，950A可以为红色，以指示向右的变化，而950B可以为蓝色以指示向左的变化。当然，颜色属性的使用是示例性的，并且可以如所希望地显示或改变其他属性。例如，950A、B可以具有与虚拟焊接物体904的其余部分不同的强度。另外，虽然虚拟焊接物体900(例如虚拟焊接物体904)可以自己单独使用，基于逻辑处理器的子系统410也可以生成一个或多个视觉提示700和音频提示，如上文所讨论的，以辅助用户进行焊接。例如，关于焊接工具位置、取向和运动(例如CTWD、行进速度、工作角度、行进角度和目的)的视觉提示可以例如显示在显示器441上的固定位置和/或“附接”到焊接工具480以帮助用户经过焊接路径。优选地，虚拟焊接物体的特征，例如高度、宽度、长度、形状、轮廓、焊接路径等等是基于焊接头的类型(例如直的、轨道型的、曲线的、圆角的、跑道型的、凹槽等等)、焊接头的取向(水平的、竖直的、错位的等等)、焊接操作的类型(例如GMAW、FCAW、SMAW、GTAW)等。优选地，将各种虚拟焊接物体预加载和/或可以定制构建并储存在系统400中，例如在基于逻辑处理器的子系统410中。

优选实施例也可以生成和显示可以辅助或训练用户的其他虚拟物体。例如，如在图22中所见，虚拟物体908代表焊工在真实世界焊接情景中可能遇到的障碍。可以将虚拟障碍物体908生成并显示在显示器441上在焊接头480C旁边，以模拟在真实世界情景中将阻止用户适当地查看焊接头480C和/或如所希望地适当地定位焊接工具460的物体。优选地，在焊接过程中每当用户“命中”模拟物体时，虚拟障碍物体908的属性就改变。例如，每当被“命中”时，虚拟物体908可以改变颜色。优选地，虚拟障碍物体908是不透明的。在一些实施例中，视觉和音频提示可以用于辅助用户绕过障碍。例如，如上所讨论的，关于焊接工具位置、取向和运动(例如CTWD、行进速度、工作角度、行进角度和目的)的视觉提示可以例如显示在显示器441上的固定位置和/或“附接”到焊接工具480以帮助用户绕过障碍和/或指示障碍何时已经被“命中”。另外，可以提供音频和/或触觉反馈以帮助用户绕过障碍和/或指示障碍何时已经被“命中”，例如听觉上的蜂鸣和/或焊接工具460可以振动。模拟障碍可以模拟墙壁、天花板、管、固定物和/或任何其他类型的障碍。优选地，基于逻辑处理器的子系统410和/或另一个计算机包括预定义的障碍类别的数据库，例如像在焊接头上方的悬吊障碍、在用户与焊接头之间的障碍、以及非常接近焊接头的障碍、和/或可以由例如用户和/或指导者上传到焊接训练课程中的另一种类型的障碍。在一些实施例中，预加载和/或可以定制构建其中障碍为常见障碍(如桥上、建筑物中的焊接主梁或梁等)的真实世界焊接情景，并将其储存在系统400(例如基于逻辑处理器的子系统410)中，以便用户选择和在其中练习。

除了在焊接过程中实时辅助用户，虚拟物体900还可以提供用户表现和/或焊接质量的信息。例如，焊接工具位置、取向和运动(例如CTWD、行进速度、工作角度、行进角度和目的)可以用于确定是否存在潜在缺陷(例如孔隙度、不完全融合(穿透不足)、焊接中的裂缝、底切、焊接轮廓过薄、焊接轮廓过厚等等)或焊接中的其他问题。优选地，将焊接工具460的位置、取向和运动(例如CTWD、行进速度、工作角度、行进角度和/或目的)与用于焊接过程类型(例如GMAW、FCAW、SMAW、GTAW)、焊接头的类型和取向、材料类型等的上下目标阈值、目标值或优选变化相比较，以确定是否存在潜在缺陷或焊接中的其他问题。除了关于焊接工具460位置、取向和运动方面的用户表现之外，可以分析其他的系统参数，如电压、电流、送丝速度、电弧长度、热量输入、气体流量(计量的)和/或熔敷速度(例如磅/小时、英寸/道次)以确定焊缝480D是否可接受。例如，基于用户表现参数中的一个或多个和/或其他系统参数中的一个或多个，系统400(例如基于逻辑处理器的子系统410)可以包括确定在焊缝480D中可能具有潜在缺陷或其他问题(例如孔隙度、不完全融合(穿透不足)、焊接中的裂缝、底切、焊接轮廓过薄、焊接轮廓过厚等等)的区域的算法。用于确定潜在问题(例如孔隙度、不完全融合、焊接中的裂缝、底切和/或焊接轮廓)的算法在本领域中是已知的，并且因而将不再进一步讨论，除非是描述优选实施例所需的。这些算法将用户表现参数阈值和/或其他系统参数中的一个或多个与设定点值(例如上下阈值、最佳值和/或优选变化)进行比较，以查看在焊缝480D上的任何点处是否超过了设定点值一个预定量。如果是的话，系统400(例如基于逻辑处理器的子系统410)保持追踪焊接中超过设定点值的点。基于是否超过设定点值，可以改变虚拟焊接物体902上的适当点处的如颜色、强度等属性以指示潜在缺陷或焊接中的问题。

例如如在图22和图24中所见，虚拟焊接物体902可以叠加在已完成的焊缝480D上以指示焊接的质量。优选地，如在图24中所见，叠加的虚拟焊接物体902是理想焊接轮廓的代表。优选地，虚拟焊接物体903是部分透明的，使得用户可以容易地看到位于下层的焊缝480D。通过将虚拟焊接物体902叠加在已完成的焊缝408D顶上，用户和/或另一个观察者可以视觉地看到由用户产生的实际焊缝与理想焊缝的比较。如本文中所使用的，术语“理想焊缝”和“理想焊接物体”并不一定代表完美的焊接轮廓，而是可以用于比较目的的焊接轮廓。优选地，除了提供视觉比较之外，虚拟焊接物体902的属性可以被显示和/或被改变以示出可能有问题的焊接区域。例如，如在图24中所见，基于用户表现参数和/或其他系统参数与预定设定点值的比较，沿虚拟焊接物体902的一个或多个部分的这些属性(例如颜色、形状、大小、强度(或亮度)和/或其他属性)可以在潜在问题区域上显示或改变。如在图24中所见，属性952可以例如是红色(或另一种颜色)以指示在该区域中焊接轮廓过薄或存在潜在裂缝等。类似地，属性954可以例如是红色(或另一种颜色)以指示在该点处放置了过多的焊接填充物，并且属性956可以指示用户已经停止而没有完成整个焊接长度。当然，问题区域的视觉指示可以在显示器441上直接叠加在焊缝480D上而不将理想虚拟焊接物体902叠加在焊缝480D上。然而，通过将理想虚拟焊接物体902叠加在焊缝480D上，用户能够看到与理想焊接对比的完整的实际焊接轮廓而不仅是潜在问题区域。

优选地，将理想焊接物体预加载和/或可以定制构建并储存在系统400中，例如在基于逻辑处理器的子系统410中。理想焊接物体可以代表针对焊接过程、训练过程的类型的可以由系统400选择的各种理想焊接轮廓。优选地，理想焊接轮廓是基于焊接头的类型(例如直的、轨道型的、曲线的等)、焊接头的取向(水平的、竖直的、错位的等等)、焊接操作的类型(例如GMAW、FCAW、SMAW、GTAW)等。理想焊接物体轮廓(例如焊缝的宽度和厚度)可以基于计算机生成的模型、基于来自对测试焊接分析的数据、基于专家焊工或另一名焊工的焊接轮廓、和/或基于在行业内已知可接受的焊接轮廓。在一些实施例中，虚拟焊接物体可以是基于用户的先前焊接历史，以便例如对当前焊接与先前焊接进行比较。在一些实施例中，实际焊接轮廓的计算机生成的模型是在焊接过程中从用户表现参数(例如CTWD、行进速度、工作角度、行进角度和/或目的)中的一个或多个、和/或其他系统参数(例如电压、电流、送丝速度、电弧长度、热量输入、气体流量(计量的)和/或熔敷速度(例如磅/小时、英寸/道次))中的一个或多个来创建的。然后实际焊接轮廓的计算机生成的模型可以叠加在具有上文讨论的任何潜在问题区域指示的焊缝480D上。通过查看计算机生成的模型，用户可以看到在实际焊接480D中难以看到或不可能看到的所产生焊接的额外特性，例如在焊缝中心的潜在缺陷。优选地，在上面的示例性实施例中，用户具有打开和关闭虚拟物体900的选项，例如单独地、一次性所有和/或分组地(例如，如上文关于视觉提示所讨论的)。

在一些示例性实施例中，试样/工件480A、B可以由系统400(例如由基于逻辑处理器的子系统410)自动地校准。典型地，为了使系统(如系统400)了解实际焊接路径在何处(例如圆角焊接路径、跑道型焊接路径和焊接凹槽路径)，必须首先由人员对系统、尤其追踪子系统(如空间追踪器420)进行校准，使得系统了解焊接试样或工件上焊接路径的位置、焊接路径的取向和焊接路径的长度。校准典型地涉及将焊接试样或工件放置在已知的校准块中，该校准块包括两个或更多个标记(例如，如上所讨论的主动或被动标记)并且允许系统捕捉标记的位置，例如类似于如上关于空间追踪器420和基于处理器的子系统410所讨论的追踪。在标记已经被定位之后，系统计算在焊接环境的3-D空间中的焊接路径位置、取向和长度。这允许系统确定参数，如目的、CTWD等。然而，系统校准要求人类干预并且需要时间来校准，每次使用不同类型的试样或工件时都必须进行校准。

在示例性实施例中，系统400可以包括试样/工件识别装置。试样/工件识别装置可以包括发射器-接收器960。如在图25中所见，发射器-接收器960可以安装在支架520的追踪系统支撑件526(例如与上文所讨论的追踪摄像机一起)或者在另一个固定位置。优选地，发射器-接收器926可以是已知的激光雷达类型的系统，该系统发射激光并在激光从一个或多个物体弹开之后对其进行感测。发射器-接收器960将激光从试样/工件480A、B以及支架520的平台538上的其他物体上弹开。如在图25中所见，平台538上的其他物体中的一些包括标记物体961，这些标记物体为上文讨论的系统400的试样/工件识别装置和追踪系统(追踪焊工帽罩440和焊接工件460)提供已知的参考点。因为在这两个系统(系统400的试样/工件识别装置和追踪装置)中捕捉到了标记物体961，标记物体961用作可以校准由下文进一步讨论的试样/工件识别装置捕捉的图像与焊接环境480的3-D空间的共同特征。

如在图26中所见，使用激光来扫描支架520的平台538，包括试样/工件480A、B和标记物体961。在块962中，捕捉平台538的图像，包括工件上物体，并且将所捕捉的图像发送以便进一步处理。在块964中，处理所捕捉的图像数据。数据处理可以包括识别所捕捉图像的不同区域(如背景)并且在所捕捉的图像中标识潜在的感兴趣物体。然后将经处理的图像数据发送以用于工件识别。在块966中，将在经处理的图像中所标识的潜在的感兴趣物体与图像数据库进行比较，该图像数据库包括例如呈CAD格式(2-D或3-D)的已知焊接试样和工件的储存模型。这些模型可以包括不同类型的试样和工件，如管、板、T型接头等。在一些实施例中，模型可以包括如上所讨论地导入系统中的定制零件、装置、部件等。一旦识别出试样/工件的类型，就将所标识的工件图像数据发送以便在块968中进行进一步的图像处理从而识别焊接路径。在块968中，将具有经标识的工件的图像再次与试样/工件图像数据库进行比较以标识与该工件相关联的焊接路径，例如圆角焊接路径、跑道型焊接路径和焊接凹槽路径。除了标识焊接路径的类型，还基于标记物体961来确定焊接路径的长度和取向。在块972中，基于标记物体961(在3-D焊接环境中具有已知的固定取向)将带有经识别的试样/工件和焊接路径的图像对焊接环境480进行校准。一旦对焊接环境480校准，就将带有焊接路径的图像经由安装在面部的显示装置440A的显示器441和/或显示器430A发送到用户以便确认。优选地，以某种方式将焊接路径高亮，例如通过使用虚拟焊接物体等，使得用户可以确认试样/工件识别装置适当地自动校准了试样/工件480A、B。如果校准成功，则用户可以开始在试样/工件480A、B进行训练。如果没有，则用户可以让试样/工件识别装置重新开始校准过程。优选地，试样/工件识别装置可以自动标识焊接头类型的范围(如对接型接头、轨道型接头、T型接头等)以及与每一种接头类型相关联的焊接路径。虽然物体识别系统的上述示例性实施例是使用激光装置说明的，但可以使用其他已知的识别系统，如使用光学装置、超声装置等的那些系统。

尽管已参考本发明示例性实施例具体地示出并描述了本发明，但是本发明不限于这些实施例。本领域普通技术人员应理解的是，可以在不背离如以上实施例所限定的本发明的精神和范围的情况下做出形式上和细节上的多种不同改变。

Claims (24)

1.一种用于校准焊接训练装备的系统，该系统包括：

多个参考标记，所述参考标记被布置在焊接环境的3-D空间中以便在所述焊接环境的3-D空间中具有已知的固定取向；

被布置在所述焊接环境的3-D空间中的焊接试样或工件中的一者；

图像捕捉装置，所述图像捕捉装置包括收发器并且被配置成用于使用所述收发器扫描包括所述焊接试样或所述工件中的所述一者以及所述参考标记的焊接环境，并且

捕捉包括所述焊接试样或所述工件中的所述一者以及所述参考标记的焊接环境的图像；

物体识别装置，所述物体识别装置被配置成用于

自动地标识在所捕捉的图像中的所述焊接试样或所述工件中的所述一者，并且

将焊接路径自动地关联至所述焊接试样或所述工件中的所标识的一者；以及

校准装置，所述校准装置被配置成用于通过基于所述参考标记使所述焊接路径与所述焊接环境的3-D空间相关来自动地校准所述焊接训练装备。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述收发器使用激光、光学信号、或超声信号中的一者来扫描所述焊接环境。

3.如权利要求1所述的系统，还包括：

空间追踪器，所述空间追踪器被配置成用于追踪焊接工具在所述焊接环境的3-D空间中相对于所述试样或所述工件中的所述一者的焊接路径的位置、取向、和移动。

4.如权利要求1所述的系统，其中在所捕捉的图像中对所述焊接试样或所述工件中的所述一者的标识包括标识在所捕捉的图像中的感兴趣物体。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述感兴趣物体与已知焊接试样或已知焊接工件的储存模型进行比较以标识在所捕捉的图像中的所述试样或所述工件中的所述一者。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述储存模型呈CAD格式。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述物体识别装置被配置成用于基于所述参考标记确定所述焊接路径的长度和取向中的至少一项。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述焊接路径基于所述焊接试样或所述工件中的所标识的一者的类型来进行关联。

9.如权利要求8所述的系统，其中与焊接试样或工件相关联的焊接路径包括以下各项中的至少一项：圆角焊接路径、跑道型焊接路径、和焊接凹槽路径。

10.如权利要求8所述的系统，其中焊接试样的类型包括以下各项中的至少一项：对接型接头、轨道型接头、和T型接头。

11.如权利要求8所述的系统，其中工件的类型包括以下各项中的至少一项：管、板、和T型接头。

12.如权利要求1所述的系统，还包括：

显示装置，所述显示装置将带有所述焊接路径的所捕捉的图像显示给用户以便确认校准是否成功，

其中所述目标识别装置被配置成如果校准没有成功则重新开始校准。

13.一种校准焊接训练装备的方法，该方法包括：

将多个参考标记布置在焊接环境的3-D空间中以便在所述焊接环境的3-D空间中具有已知的固定取向；

将焊接试样或工件中的一者布置在所述焊接环境的3-D空间中；

使用所述收发器扫描包括所述焊接试样或所述工件中的所述一者以及所述参考标记的焊接环境，并且

捕捉包括所述焊接试样或所述工件中的所述一者以及所述参考标记的焊接环境的图像；

自动地标识在所捕捉的图像中的所述焊接试样或所述工件中的所述一者；

将焊接路径自动地关联至所述焊接试样或所述工件中的所标识的一者；并且

通过基于所述参考标记使所述焊接路径与所述焊接环境的3-D空间相关来自动地校准所述焊接训练装备。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述收发器使用激光、光学信号、或超声信号中的一者来扫描所述焊接环境。

15.如权利要求13所述的方法，还包括：

追踪焊接工具在所述焊接环境的3-D空间中相对于所述试样或所述工件中的所述一者的焊接路径的位置、取向、和移动。

16.如权利要求13所述的方法，其中所述标识在所捕捉的图像中的所述焊接试样或所述工件中的所述一者包括标识在所捕捉的图像中的感兴趣物体。

17.如权利要求16所述的方法，还包括将所述感兴趣物体与已知焊接试样或已知焊接工件的储存模型进行比较以标识在所捕捉的图像中的所述试样或所述工件中的所述一者。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述储存模型呈CAD格式。

19.如权利要求13所述的方法，还包括基于所述参考标记确定所述焊接路径的长度和取向中的至少一项。

20.如权利要求13所述的方法，其中所述将所述路径关联至所述焊接试样或所述工件中的所标识的一者是基于所述焊接试样或所述工件中的所标识的一者的类型。

21.如权利要求20所述的方法，其中与焊接试样或工件相关联的焊接路径包括以下各项中的至少一项：圆角焊接路径、跑道型焊接路径、和焊接凹槽路径。

22.如权利要求20所述的方法，其中焊接试样的类型包括以下各项中的至少一项：对接型接头、轨道型接头、和T型接头。

23.如权利要求20所述的方法，其中工件的类型包括以下各项中的至少一项：管、板、和T型接头。

24.如权利要求1所述的方法，还包括：

将带有所述焊接路径的所捕捉的图像显示给用户以便确认校准是否成功；并且

如果校准没有成功则重新开始校准。