CN110390849A - 焊接训练中的游戏 - Google Patents

Abstract

焊接训练系统和方法利用游戏构思来鼓励用户参与和集中注意力。所述系统和方法还可以管理多个用户之间的竞争活动。

Description

焊接训练中的游戏

相关申请的交叉引用

本美国专利申请要求2018年4月19日提交的美国临时专利申请序列号62/659,729的权益和优先权，所述临时专利申请的全部披露内容通过援引全部并入本文。

技术领域

总体发明构思涉及仿真焊接训练，更具体地涉及将游戏构思引入到仿真焊接训练中的系统和方法。

背景技术

学习如何弧焊传统上需要很长时间的指导、训练和实习。存在许多不同类型的弧焊和弧焊工艺可以学习。通常，学员使用真实的焊接系统对真实的金属件执行焊接操作来学习焊接。这种真实世界训练可能会占用稀缺的焊接资源，耗尽有限的和/或昂贵的焊接材料，并且存在安全问题。然而近来，使用焊接仿真器进行训练的想法已经变得越来越普遍。例如，在虚拟现实(VR)焊接环境或增强现实(AR)焊接环境中的训练可以避免真实世界焊接训练的许多缺点。

典型地，通过焊接训练来学习技能需要一遍又一遍地执行相同的练习，直到达到熟练为止。这对于真实世界焊接训练和仿真焊接训练都是如此。因此，焊接训练对于用户来说似乎是单调的，从而使得随时间推移难以使用户保持兴趣/集中注意力。因此，对于无论是在单次焊接练习期间还是在整个一系列焊接练习中都能够在焊接训练期间使用户保持集中注意力的焊接训练系统和方法存在尚未满足的需求。

发明内容

本文提出了提供用于执行焊接训练的系统和方法，所述系统和方法将游戏构思引入到训练中以激励用户保持集中注意力和/或促进用户改进表现。

在一个示例性实施例中，提供了一种焊接仿真器，所述焊接仿真器包括：显示器；模拟焊接工具；试样；以及逻辑部，所述逻辑部包括存储器和处理器，所述存储器存储机器可读指令，所述处理器用于执行所述指令以：生成仿真环境；在第一仿真焊接练习期间，用户追踪所述模拟焊接工具相对于所述试样的移动；在所述显示器上显示所述仿真环境和所述移动；基于所述移动来确定多个表现参数的值；以及通过将所述表现参数的值与预定值进行比较来计算所述用户对于所述第一仿真焊接练习的表现得分。

在一些示例性实施例中，所述逻辑部仅在所述用户的表现得分满足所述第一仿真焊接练习的预定阈值得分时才允许所述用户执行第二仿真焊接练习。

在一些示例性实施例中，所述逻辑部仅在所述用户的表现得分在所述第一仿真焊接练习的多次连贯表现上满足所述第一仿真焊接练习的预定阈值得分时才允许所述用户执行第二仿真焊接练习。在一些示例性实施例中，所述连贯表现的次数是至少三次。在一些示例性实施例中，所述逻辑部使其中所述用户的表现得分满足阈值的所述多次连贯表现显示在所述显示器上。

在一些示例性实施例中，所述逻辑部使所述用户的表现得分在另一用户对所述第一仿真焊接练习的表现期间显示在所述显示器上。

在一些示例性实施例中，所述逻辑部使所述用户的表现得分在所述用户对所述第一仿真焊接练习的后续表现期间显示在所述显示器上。

在一些示例性实施例中，所述逻辑部使在某个时间段上针对所述第一仿真焊接练习计算的每个表现得分被存储；并且所述逻辑部使所存储表现得分的最高值在所述时间段上所述第一仿真焊接练习的每次表现期间显示在所述显示器上。在一些示例性实施例中，所述时间段是一周。在一些示例性实施例中，所述时间段能由管理员配置。

在一些示例性实施例中，所述逻辑部使在某个时间段上针对所述第一仿真焊接练习计算的每个表现得分被存储；并且所述逻辑部使所有所存储表现得分显示在多个用户可同时看到的公共显示器上。在一些示例性实施例中，所述所存储的表现得分以降序显示。在一些示例性实施例中，所述时间段是一周。在一些示例性实施例中，所述时间段能由管理员配置。

在一些示例性实施例中，所述逻辑部使在某个时间段上针对所述第一仿真焊接练习计算的每个表现得分被存储；并且所述逻辑部使给定数量的所存储表现得分显示在多个用户可同时看到的公共显示器上。在一些示例性实施例中，所述给定数量的所存储表现得分以降序显示。在一些示例性实施例中，所显示的所存储表现得分的所述给定数量处于3至20的范围内。在一些示例性实施例中，所述时间段是一周。在一些示例性实施例中，所述时间段能由管理员配置。

在一些示例性实施例中，所述表现参数中的至少一个表现参数是所述模拟焊接工具的末端与所述试样之间的距离。在一些示例性实施例中，所述表现参数中的至少一个表现参数是焊接角度。在一些示例性实施例中，所述表现参数中的至少一个表现参数是行进角度。在一些示例性实施例中，所述表现参数中的至少一个表现参数是在所述第一仿真焊接练习期间所述模拟焊接工具的行进速度。

在一些示例性实施例中，所述显示器是焊接面罩的一部分。

在一些示例性实施例中，所述逻辑部使所述用户的表现得分被存储。

在一些示例性实施例中，所述仿真环境是虚拟现实环境。在一些示例性实施例中，所述仿真环境是增强现实环境。

在一个示例性实施例中，提供了一种焊接训练系统，所述焊接训练系统包括：第一焊接仿真器，所述第一焊接仿真器包括第一显示器、第一模拟焊接工具、以及第一试样；第二焊接仿真器，所述第二焊接仿真器包括第二显示器、第二模拟焊接工具、以及第二试样；以及逻辑部，所述逻辑部包括存储器和处理器，所述存储器存储机器可读指令，所述处理器用于执行所述指令以：生成仿真环境；在仿真焊接练习期间，由第一用户追踪所述第一模拟焊接工具相对于所述第一试样的第一移动；在所述第一显示器上显示所述仿真环境和所述第一移动；基于所述第一移动来确定多个表现参数的第一值；通过将所述表现参数的第一值与对应的预定值进行比较来计算所述第一用户对于所述仿真焊接练习的第一表现得分；在所述仿真焊接练习期间，由第二用户追踪所述第二模拟焊接工具相对于所述第二试样的第二移动；在所述第二显示器上显示所述仿真环境和所述第二移动；基于所述第二移动来确定所述表现参数的第二值；以及通过将所述表现参数的第二值与所述预定值进行比较来计算所述第二用户对于所述仿真焊接练习的第二表现得分。

在一些示例性实施例中，所述逻辑部使所述第一用户执行所述仿真焊接练习的进度显示在所述第二显示器上。

在一些示例性实施例中，所述逻辑部使所述第二用户执行所述仿真焊接练习的进度显示在所述第一显示器上。

在一些示例性实施例中，所述逻辑部确定所述第一表现得分和所述第二表现得分中的较大者是获胜得分；并且所述逻辑部使所述获胜得分显示在所述第一显示器和所述第二显示器两者上。

在一些示例性实施例中，如果所述逻辑部确定所述第一用户在所述第二用户之前完成所述仿真焊接练习，则所述逻辑部使所述第一表现得分显示在所述第二显示器上。

在一些示例性实施例中，如果所述逻辑部确定所述第二用户在所述第一用户之前完成所述仿真焊接练习，则所述逻辑部使所述第二表现得分显示在所述第一显示器上。

在一个示例性实施例中，提供了一种焊接训练系统，所述焊接训练系统包括：第一训练站点，在所述第一训练站点处定位有：第一焊接仿真器，所述第一焊接仿真器包括第一显示器、第一模拟焊接工具、以及第一试样；第二焊接仿真器，所述第二焊接仿真器包括第二显示器、第二模拟焊接工具、以及第二试样；以及第一逻辑部，所述第一逻辑部包括存储器和处理器，所述存储器存储机器可读指令，所述处理器用于执行所述指令以：生成第一仿真环境；在仿真焊接练习期间，由第一用户追踪所述第一模拟焊接工具相对于所述第一试样的第一移动；在所述第一显示器上显示所述第一仿真环境和所述第一移动；基于所述第一移动来确定多个表现参数的第一值；通过将所述表现参数的第一值与对应的预定值进行比较来计算所述第一用户对于所述仿真焊接练习的第一表现得分；在所述仿真焊接练习期间，由第二用户追踪所述第二模拟焊接工具相对于所述第二试样的第二移动；在所述第二显示器上显示所述第一仿真环境和所述第二移动；基于所述第二移动来确定所述表现参数的第二值；以及通过将所述表现参数的第二值与所述预定值进行比较来计算所述第二用户对于所述仿真焊接练习的第二表现得分；以及第二训练站点，在所述第二训练站点处定位有：第三焊接仿真器，所述第三焊接仿真器包括第三显示器、第三模拟焊接工具、以及第三试样；第四焊接仿真器，所述第四焊接仿真器包括第四显示器、第四模拟焊接工具、以及第四试样；以及第二逻辑部，所述第二逻辑部包括存储器和处理器，所述存储器存储机器可读指令，所述处理器用于执行所述指令以：生成第二仿真环境；在所述仿真焊接练习期间，第三用户追踪所述第三模拟焊接工具相对于所述第三试样的第三移动；在所述第三显示器上显示所述第二仿真环境和所述第三移动；基于所述第三移动来确定多个表现参数的第三值；通过将所述表现参数的第三值与所述预定值进行比较来计算所述第三用户对于所述仿真焊接练习的第三表现得分；在所述仿真焊接练习期间，第四用户追踪所述第四模拟焊接工具相对于所述第四试样的第四移动；在所述第四显示器上显示所述第二仿真环境和所述第四移动；基于所述第四移动来确定所述表现参数的第四值；以及通过将所述表现参数的第四值与所述预定值进行比较来计算所述第四用户对于所述仿真焊接练习的第四表现得分，其中，所述第一逻辑部能操作以通过网络将所述第一表现得分和所述第二表现得分中的至少一个发送到所述第二逻辑部；并且其中，所述第二逻辑部能操作以通过所述网络将所述第三表现得分和所述第四表现得分中的至少一个发送到所述第一逻辑部。

在一些示例性实施例中，所述第一逻辑部能操作以将所述第一表现得分和所述第二表现得分相加成总得分，并且所述第一逻辑部能操作以通过所述网络将所述总得分发送到所述第二逻辑部。

在一些示例性实施例中，所述第二逻辑部能操作以将所述第三表现得分和所述第四表现得分相加成总得分，并且所述第二逻辑部能操作以通过所述网络将所述总得分发送到所述第一逻辑部。

在一些示例性实施例中，所述第一逻辑部能操作以根据所述第一表现得分和所述第二表现得分来计算平均得分，并且所述第一逻辑部能操作以通过所述网络将所述平均得分发送到所述第二逻辑部。

在一些示例性实施例中，所述第二逻辑部能操作以根据所述第三表现得分和所述第四表现得分计算平均得分，并且所述第二逻辑部能操作以通过所述网络将所述平均得分发送到所述第二逻辑部。

在一些示例性实施例中，所述第一站点和所述第二站点是彼此远离的。在一些示例性实施例中，所述第一站点和所述第二站点分开大于一英里的距离。

在一些示例性实施例中，所述第一焊接仿真器和所述第二焊接仿真器是相对彼此在本地的。在一些示例性实施例中，所述第一焊接仿真器和所述第二焊接仿真器分开小于一英里的距离。

在一些示例性实施例中，所述第三焊接仿真器和所述第四焊接仿真器是相对彼此在本地的。在一些示例性实施例中，所述第三焊接仿真器和所述第四焊接仿真器分开小于一英里的距离。

在一些示例性实施例中，所述网络是因特网。

根据以下对示例性实施例的详细描述、根据权利要求并且根据随附的附图，总体发明构思的许多其他方面、优点、和/或特征将变得清楚。

附图说明

图1展示了在实时虚拟现实环境中提供弧焊训练的系统的系统框图的示例性实施例；

图2展示了图1的系统的仿真焊接控制台与观察者显示设备(ODD)的组合的示例性实施例；

图3展示了图2的观察者显示设备(ODD)的示例性实施例；

图4展示了图2的仿真焊接控制台的前部的示例性实施例，示出了物理焊接用户接口(WUI)；

图5展示了图1的系统的模拟焊接工具(MWT)的示例性实施例；

图6展示了图1的系统的桌台/支架(T/S)的示例性实施例；

图7A展示了图1的系统的管焊接试样(WC)的示例性实施例；

图7B展示了安装在图6的桌台/支架(TS)的臂上的图7A的管WC；

图8展示了图1的空间追踪器(ST)的示例性实施例的各种元件；

图9A展示了图1的系统的戴于面部的显示设备(FMDD)的示例性实施例；

图9B是图9A的FMDD如何紧固在用户的头部的图示；

图9C展示了安装在焊接面罩内的图9A的FMDD的示例性实施例；

图10展示了图1的系统的基于可编程处理器的子系统(PPS)的子系统框图的示例性实施例；

图11展示了图10的PPS的图形处理单元(GPU)的框图的示例性实施例；

图12展示了图1的系统的功能框图的示例性实施例；

图13是使用图1的虚拟现实训练系统的训练方法的实施例的流程图；

图14A和图14B展示了焊接像元(焊元)移置图(displacementmap)的构思；

图15展示了在仿真器中仿真的平坦焊接试样的试样空间(coupon space)和焊缝空间(weld space)的示例性实施例；

图16展示了在仿真器中仿真的拐角焊接试样的试样空间和焊缝空间的示例性实施例；

图17展示了在仿真器中仿真的管焊接试样的试样空间和焊缝空间的示例性实施例；

图18展示了管焊接试样的示例性实施例；

图19A至图19C展示了仿真器的双移置熔池模型的构思的示例性实施例；

图20展示了在焊接训练期间出于激励目的使用先前表现数据的系统的示例性实施例。

图21展示了在焊接训练期间管理多个用户之间的竞争的系统的示例性实施例。

图22展示了在焊接训练期间管理多个组织之间的竞争的系统的示例性实施例。

图23A至图23C展示了基于预定条件管理对焊接训练练习的访问的系统的示例性实施例。

图24A至图24C示出了基于预定条件管理对焊接训练模块的访问的系统的示例性实施例。

具体实施方式

总体发明构思涵盖了用于执行仿真焊接训练的系统和方法，其中将游戏构思引入到训练中以激励用户保持集中注意力和/或促进用户改进表现。还可以使用游戏构思来培育多个用户和/或组之间的竞争。

本文描述了作为焊接仿真器的示例性实施例的虚拟现实弧焊(VRAW)系统，以将在虚拟现实焊接环境中训练的想法放入上下文中。随后，本文在从一个或多个VRAW系统(或类似的虚拟现实焊接系统)收集数据并且存储和分析所述数据的上下文中描述学习管理系统(LMS)。所述数据可以表示由学员焊工在VRAW系统上执行的仿真焊接操作，并且对数据的分析可以由例如焊接指导员发起，以追踪学员的进展并向学员焊工提供恰当的反馈。

虚拟现实弧焊系统

本发明的实施例提供了一个或多个虚拟现实弧焊(VRAW)系统，每个系统具有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、以及至少一个显示设备，所述空间追踪器可操作地连接至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，所述至少一个显示设备可操作地连接至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设备上实时地显示所仿真的熔池。所仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征在被显示时向模拟焊接工具的用户提供实时视觉反馈，从而允许用户响应于实时视觉反馈而实时调节或维持焊接技法(即，帮助用户正确地学习焊接)。所显示的熔池表示基于用户的焊接技法和所选择的焊接过程和参数而将在真实世界中形成的熔池。通过查看熔池(例如形状、颜色、熔渣、大小、堆积币状体)，用户可以修改其技法以进行良好的焊接并且确定正在进行的焊接的类型。熔池的形状响应于焊枪或棒的移动。如本文所使用的，术语“实时”意指以与用户在真实世界焊接情景下将会感知和体验的相同的方式，在仿真环境下及时感知和体验。此外，熔池响应于包括重力在内的物理环境的影响，从而允许用户在各种位置实际地练习焊接，包括仰焊及各种管焊接角度(例如1G、2G、5G、6G)。所述系统进一步能够保存与用于用户(例如，学员焊工)的仿真虚拟现实焊接会话相关联的数据。

图1展示了在实时仿真(例如，虚拟现实)环境中提供弧焊训练的系统100的系统框图的示例性实施例。系统100包括具有处理单元和计算机存储器的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至PPS 110的空间追踪器(ST)120。系统100还包括可操作地连接至PPS 110的物理焊接用户接口(WUI)130、以及可操作地连接至PPS 110和ST 120的戴于面部的显示设备(FMDD)140。系统100进一步包括可操作地连接至PPS 110的观察者显示设备(ODD)150。系统100还包括可操作地连接至ST 120和PPS 110的至少一个模拟焊接工具(MWT)160。系统100进一步包括桌台/支架(T/S)170和能够被附接至T/S 170的至少一个焊接试样(WC)180。根据本发明的替代性实施例，可以提供模拟气体瓶(未示出)以仿真具有可调流量调节器的保护气体来源。

图2展示了图1的系统100的仿真焊接控制台135(仿真焊接电源用户接口)与观察者显示设备(ODD)150的组合的示例性实施例。物理WUI 130驻留在控制台135的前部并且提供旋钮、按钮以及操纵杆，以便用户选择各种模式和功能。ODD 150附接至控制台135的顶部。MWT 160安置在附接至控制台135侧部的固持器中。在内部，控制台135固持PPS 110以及ST 120的一部分。根据替代性实施例，对WUI 130所提供的模式和功能的选择可以采用触摸屏显示器的形式。

图3展示了图2的观察者显示设备(ODD)150的示例性实施例。根据本发明的实施例，ODD 150是液晶显示器(LCD)设备。其他显示设备也是可能的。例如，根据本发明的另一个实施例，ODD 150可以是触摸屏显示器。ODD 150从PPS 110接收视频(例如SVGA格式)和显示信息。

如图3中所示，ODD 150能够显示呈现各种焊接参数151的第一用户情景，所述焊接参数包括位置、末端到工件距离(tip to work)、焊接角度、行进角度、以及行进速度。这些参数可以被选择并以图形形式实时显示并且被用于教示正确的焊接技法。此外，如图3中所示，ODD 150能够显示仿真焊接不连贯状态152，包括例如不恰当的焊接尺寸、不佳的焊珠布置、凹形焊珠、过于外凸、咬边、多孔、未焊透、夹渣、过度飞溅、溢出、以及烧穿(熔穿)。咬边是熔融到邻近焊接或焊根的基础金属中并且未由焊接金属填充的凹槽。咬边往往是由于焊接的不正确角度造成的。多孔涉及由常常由于移动电弧过于远离试样引起的凝固期间的气体夹带形成的空腔类型的不连贯。与参数和状态相关联的数据可以针对学员焊工被存储在VRAW系统上。

此外，如图3中所示，ODD 150能够显示用户选择153，包括菜单、动作、视觉提示、新的试样、以及结束行程。这些用户选择被绑定到控制台135上的用户按钮。当用户经由(例如)ODD 150的触摸屏或经由物理WUI 130进行各种选择时，所显示的特征可以改变来给所述用户提供所选择的信息和其他选项。此外，ODD 150可以在焊工的相同角度视图下或在例如由指导员选择的各种不同的角度下显示由戴着FMDD 140的焊工看到的视图。出于各种训练目的，ODD 150可以由指导员和/或学员观看。例如，可以使视图围绕已完成的焊接旋转，从而允许由指导员进行目视检查。根据本发明的替代性实施例，来自系统100的视频可以通过例如互联网来发送至远程位置，以用于远程观看和/或评论。此外，可以提供音频，从而允许学员与远程指导员之间的实时音频通信。

图4展示了图2的仿真焊接控制台135的前部的示例性实施例，示出了物理焊接用户接口(WUI)130。WUI 130包括与ODD 150上显示的用户选择153相对应的一组按钮131。按钮131可以被着色以对应于显示在ODD 150上的用户选择153的颜色。当按钮131中的一个被按下时，信号被发送到PPS 110来启用对应的功能。WUI 130还包括操纵杆132，所述操纵杆能够被用户用来选择ODD 150上所显示的各种参数和选择。WUI 130还包括用于调节焊丝送进速度/安培的刻度盘或旋钮133、以及用于调节伏特/微调的另一刻度盘或旋钮134。WUI130还包括用于选择弧焊工艺的刻度盘或旋钮136。根据本发明的实施例，三种弧焊工艺是可选择的，包括：包括气体保护和自保护工艺的焊剂芯弧焊(FCAW)；包括短弧、轴向喷射、STT和脉冲的气体金属弧焊(GMAW)；以及包括E6010和E7010焊条的保护金属弧焊(SMAW)。在一些实施例中，可以支持其他焊接工艺，如气体钨极弧焊(GTAW)。WUI 130进一步包括用于选择焊接极性的刻度盘或旋钮137。根据本发明的实施例，三种弧焊极性是可选择的，包括交流电(AC)、正接直流电(DC+)、以及负接直流电(DC-)。

图5展示了图1的系统100的模拟焊接工具(MWT)160的示例性实施例。图5的MWT160仿真用于板和管焊接的手工焊接工具，并且包括固持器161和所仿真的手工焊条162。MWT 160上的触发器用于将信号传送到PPS 110来启用所选择的仿真焊接工艺。所仿真的手工焊条162包括触觉电阻末端163来仿真在例如真实世界管焊接中的根部焊道焊接过程期间或在焊接板时发生的电阻反馈。如果用户过于背离焊根移动所仿真的手工焊条162，用户将能够感觉或觉察到较低的阻力，从而获得用于调节或保持当前焊接工艺的反馈。

所设想的是，手工焊接工具可以结合有致动器(未示出)，所述致动器在虚拟焊接工艺期间使所仿真的手工焊条162缩回。也就是说，当用户从事虚拟焊接活动时，固持器161与所仿真的手工焊条162的末端之间的距离被减小来仿真焊条的消耗。消耗速率，即手工焊条162的缩回，可以由PPS 110控制，并且更具体地，可以由PPS 110所执行的编码指令来控制。所仿真的消耗速率还可以取决于用户的技法。在此值得一提的是，由于系统100便于利用不同类型焊条进行虚拟焊接，所仿真的手工焊条162的消耗速率或减少可能随所使用的焊接工艺和/或系统100的设置而变化。

根据本发明的其他实施例，其他模拟焊接工具也是可能的，包括仿真具有例如通过焊枪送进的焊丝电极的手持式半自动焊枪的MWT。此外，根据本发明的其他特定实施例，真实的焊接工具可以被用作MWT 160来更好地仿真所述工具在用户手中的实际感觉，即使是在系统100中，所述工具也不会被用于实际上产生真实电弧。另外，可以提供或以其他方式仿真出模拟研磨工具，用于系统100的所仿真的研磨模式中。类似地，可以提供或以其他方式仿真出模拟切割工具，用于系统100的所仿真的切割模式中。此外，可以提供或以其他方式仿真出模拟气体钨弧焊(GTAW)焊炬或填充材料，用于系统100中。

图6展示了图1的系统100的桌台/支架(T/S)170的示例性实施例。T/S 170包括可调桌台171、支架或基座172、可调臂173、以及立柱174。桌台171、支架172、以及臂173均附接至立柱174。桌台171和臂173各自能够相对于立柱174手动地向上、向下、和旋转地调节。臂173被用于固持各种焊接试样(例如管焊接试样175)，并且用户在训练时可以将他/她的手臂安置在桌台171上。立柱174被标记有位置信息，从而用户可以确切地知晓臂173和桌台171在竖直方向上定位在柱174上何处。此竖直位置信息可以被用户使用WUI 130和ODD 150输入到系统中。

根据本发明的替代性实施例，桌台171和臂173的位置可以自动地由PPS 110经由所编程的设置来设定或根据用户的命令经由WUI 130和/或ODD 150来设定。在这样的替代性实施例中，T/S 170包括例如马达和/或伺服机构，并且来自PPS 110的信号命令激活马达和/或伺服机构。根据本发明的进一步的替代性实施例，桌台171和臂173的位置以及试样的类型由系统100检测。以这种方式，用户不必经由用户接口手动输入位置信息。在这样的替代性实施例中，T/S 170包括位置和取向检测器并且发送信号命令到PPS 110来提供位置和取向信息，并且管焊接试样175包括位置检测传感器(例如用于检测磁场的线圈式传感器)。根据本发明的实施例，在调节参数被改变时，用户能够在ODD 150上看到T/S 170调节的呈现。

图7A展示了作为图1的系统100的管焊接试样(WC)180的示例性实施例的焊接试样(WC)175。管WC 175仿真被放置在一起以形成有待焊接的焊根176的两个六英寸直径的管175’和175”。管WC 175包括在管WC 175的一端的连接部分177，从而允许管WC 175以精确且可重复的方式附接至臂173。图7B展示了安装在图6的桌台/支架(TS)170的臂173上的图7A的管WC 175。管WC 175能够被附接至臂173的精确且可重复的方式允许仅在工厂进行一次管WC 175的空间校准。然后，在现场，只要系统100被告知臂173的位置，系统100便能够在仿真环境中相对于管WC 175追踪MWT 160和FMDD 140。WC 175所附接至的臂173的第一部分能够相对于臂173的第二部分倾斜，如图6中所示。这允许用户在管处于若干不同的取向和角度中的任何取向和角度时实习管焊接。

图8展示了图1的空间追踪器(ST)120的示例性实施例的各种元件。ST 120是能够与系统100的PPS 110可操作地接口连接的磁性追踪器。ST 120包括磁源121和源线缆、至少一个传感器122和相关联线缆、磁盘123上的主机软件、电源124和相关联线缆、USB和RS-232线缆125、以及处理器追踪单元126。磁源121能够经由线缆可操作地连接至处理器追踪单元126。传感器122能够经由线缆可操作地连接至处理器追踪单元126。电源124能够经由线缆可操作地连接至处理器追踪单元126。处理器追踪单元126能够经由线缆(例如，USB或RS-232线缆125)可操作地连接至PPS 110。磁盘123上的主机软件能够被加载到PPS 110上并且允许ST 120和PPS 110之间的功能性通信。

参照图6，ST 120的磁源121被安装在臂173的第一部分上。磁源121围绕源121产生磁场，包括包围附接至臂173的管WC 175的空间，该磁场建立了3D空间参照系。T/S 170主要是非金属的(非铁的和非导电的)，以便不扭曲由磁源121创建的磁场。传感器122包括沿三个空间方向正交对准的三个感应线圈。传感器122的感应线圈各自测量磁场在三个方向中的每个方向上的强度并且提供该信息给处理器追踪单元126。因此，当管WC 175被安装在臂173上时，系统100能够确定管WC 175的任何部分相对于由磁场建立的3D空间参照系在何处。传感器122可以被附接至MWT 160或FMDD 140，从而允许MWT 160或FMDD 140由ST 120相对于3D空间参照系在空间和取向两者上进行追踪。当两个传感器122被提供并且可操作地连接至处理器追踪单元126时，MWT 160和FMDD 140两者可以被追踪。以这种方式，系统100能够在虚拟现实空间中创建虚拟WC、虚拟MWT以及虚拟T/S并且在MWT 160和FMDD 140相对于3D空间参照系被追踪时在FMDD 140和/或ODD 150上显示所述虚拟WC、虚拟MWT以及虚拟T/S。

根据本发明的替代性实施例，(多个)传感器122可以以无线的方式连接至处理器追踪单元126，并且处理器追踪单元126可以以无线的方式连接至PPS 110。根据本发明的其他替代性实施例，其他类型的空间追踪器120可以用于系统100，包括例如基于加速度计/陀螺仪的追踪器、光学追踪器(有源或无源式)、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、以及基于增强现实的追踪系统。其他类型的追踪器也是可能的，包括任何上述追踪器中的任意追踪器的组合。

图9A展示了图1的系统100的戴于面部的显示设备140(FMDD)的示例性实施例。图9B是图9A的FMDD 140如何被紧固在用户的头部的图示。图9C展示了被集成到焊接面罩900中的图9A的FMDD 140的示例性实施例。FMDD 140通过有线手段或以无线方式可操作地连接至PPS 110和ST 120。根据本发明的各种实施例，ST 120的传感器122可以被附接至FMDD140或焊接面罩900，从而允许FMDD 140和/或焊接面罩900相对于由ST 120创建的3D空间参照系被追踪。

根据本发明的实施例，FMDD 140包括能够以2D和帧序列视频模式传送流体全运动视频(fluid full-motion video)的两个高对比度SVGA 3D OLED微显示器。虚拟现实环境的视频被提供和显示于FMDD 140上。可以提供缩放(例如，2倍(2X))模式，允许用户仿真更加以假乱真的透镜。

FMDD 140进一步包括两个耳塞式扬声器910，从而允许用户聆听由系统100生成的仿真焊接相关声音和环境声音。根据本发明的各种实施例，FMDD 140可以通过有线或无线手段可操作地接口连接至PPS 110。根据本发明的实施例，PPS 110提供立体视频给FMDD140，从而提供增强深度感知给用户。根据本发明的替代性实施例，用户能够使用MWT 160上的控件(例如按钮或开关)来调用和选择FMDD 140上的菜单和显示选项。这可以允许用户在其例如出现失误、改变特定参数、或回退一点点以重新完成焊珠轨迹的一部分时容易地重置焊接。

图10展示了图1的系统100的基于可编程处理器的子系统(PPS)110的子系统框图的示例性实施例。根据本发明的实施例，PPS 110包括中央处理单元(CPU)111和两个图形处理单元(GPU)115。根据本发明的实施例，两个GPU 115经编程以提供具有实时熔融金属流动性和吸热与散热特征的熔池(也称为焊池)的虚拟现实仿真。

图11展示了图10的PPS 110的图形处理单元(GPU)115的框图的示例性实施例。每个GPU 115支持数据并行算法的实施。根据本发明的实施例，每个GPU 115提供了能够提供两个虚拟现实视图的两个视频输出118和119。此示例性实施例的PPS 110中的两个GPU 115提供了总共四个视频输出。所述视频输出中的两个可以被路由至FMDD 140，呈现焊工的视野，并且第三视频输出可以被路由至例如ODD 150，呈现焊工的视野或者某一其他视野。剩余的第四视频输出可以被路由到例如投影仪。两个GPU 115执行相同的焊接物理计算，但可以从相同或不同的视野呈现虚拟现实环境。GPU 115包括统一计算设备架构(CUDA)116和着色器117。CUDA 116是GPU 115的计算引擎，所述计算引擎是软件开发商通过行业标准编程语言可使用的。CUDA 116包括并行核心并且被用于运行本文所描述的熔池仿真的物理模型。CPU 111向GPU 115上的CUDA 116提供实时焊接输入数据。着色器117负责绘制并应用全部的仿真画面。焊珠和熔池画面由本文稍后描述的焊元移置图的状态来驱动。根据本发明的实施例，物理模型以约每秒30次的速率运行和更新。

图12展示了图1的系统100的功能框图的示例性实施例。如图12中所示的系统100的各种功能方框在很大程度上是通过在PPS 110上运行的软件指令和模块来实施。系统100的各种功能块包括物理接口1201、焊炬和夹具模型1202、环境模型1203、声音内容功能1204、焊接声音1205、支架/桌台模型1206、内部架构功能1207、校准功能1208、试样模型1210、焊接物理1211、内部物理调节工具(微调器)1212、图形用户接口功能1213、绘图功能1214、学员报告功能1215、呈现器1216、焊珠呈现1217、3D纹理1218、视觉提示功能1219、评分和公差功能1220、公差编辑器1221、以及特殊效果1222。

内部架构功能1207提供系统100的处理的更高等级的软件逻辑，包括例如加载文件、保持信息、管理线程、启用物理模型、以及触发菜单。根据本发明的实施例，内部架构功能1207运行在CPU 111上。针对PPS 110的特定实时输入包括电弧位置、焊枪位置、FMDD或面罩位置、焊枪启用/关闭状态、以及接触产生的状态(是/否)。

图形用户接口功能1213允许用户经由ODD 150使用物理用户接口130的操纵杆132来设置焊接情景。根据本发明的实施例，焊接情景的设置包括：选择语言，输入用户姓名，选择实习板(即焊接试样)，选择焊接工艺(例如，FCAW、GMAW、SMAW)和相关联的轴向喷射、脉冲或短弧方法，选择气体类型和流率，选择手工焊条的类型(例如6010或7018)，以及选择焊剂芯焊丝的类型(例如自保护式、气体保护式)。焊接情景的设置还包括选择T/S 170的桌台高度、臂高度、臂位置、以及臂旋转。焊接情景的设置进一步包括：选择环境(例如虚拟现实空间中的背景环境)，设置焊丝送进速度，设置电压电平，设定安培数，选择极性，以及启用或关闭特定视觉提示。

在仿真焊接情景期间，绘图功能1214收集用户表现参数并将所述用户表现参数提供至图形用户接口功能1213，以便以图形格式进行显示(例如在ODD 150上)。来自ST 120的追踪信息馈入绘图功能1214。绘图功能1214包括简单分析模块(SAM)和抖动(whip)/摆动(weave)分析模块(WWAM)。SAM通过比较焊接参数和存储在焊珠表格中的数据来分析用户焊接参数，所述用户焊接参数包括焊接行进角度、行进速度、焊接角度、位置、以及末端到工件距离。WWAM分析用户抖动参数，包括币状体间隔、抖动时间、以及熔池时间。WWAM还分析用户摆动参数，包括摆动宽度、摆动间隔、以及摆动定时。SAM和WWAM将原输入数据(例如位置和取向数据)解释为在功能上可使用的数据，用于进行绘图。针对由SAM和WWAM分析的每个参数，使用公差编辑器1221由围绕输入焊珠表格的最佳或理想设定点的参数极限来限定公差窗口，并且评分和公差功能1220被执行。各种类型的学员训练数据(例如参数数据和评分数据)可以存储在VRAW系统上。

公差编辑器1221包括估计材料使用、电气使用和焊接时间的焊接度量计(weldometer)。此外，当特定参数超出公差时，可能发生焊接不连贯(即焊接缺陷)。任何焊接不连贯的状态由绘图功能1214处理并经由图形用户接口功能1213以图形格式呈现。这样的焊接不连贯包括不恰当的焊接大小、不佳的焊珠布置、凹形焊珠、过于外凸、咬边、多孔、未焊透、夹渣、溢出、烧穿、以及过度飞溅。根据本发明的实施例，不连贯的等级或量取决于特定用户参数偏离最佳或理想的设定点的程度。

不同的参数极限可以针对不同类型的用户(例如，焊接初学者、焊接专家、以及在交易展览会中的人)被预先限定。评分和公差功能1220根据用户接近针对特定参数的最佳(理想)值的程度并且根据焊接中出现的不连贯或缺陷的等级提供数字得分。最佳值典型地从真实世界数据获得。学员报告功能1215可以使用来自评分和公差功能1220的信息和来自绘图功能1214的信息，以便为指导员和/或学员创建表现报告。

系统100能够分析和显示虚拟焊接活动的结果。通过分析所述结果，意味着系统100能够确定在焊接行程期间是何时以及沿焊接接头是何处，用户偏离焊接工艺可接受的极限。得分可以归因于用户的表现。在一个实施例中，得分可以是在多个公差范围上模拟焊接工具160在位置、取向和速度上的偏离的函数，这可以从理想的焊接行程延伸到临界的或不可接受的焊接活动。根据用于对用户的表现进行评分的选择，任何梯度范围均可以被包括在系统100中。评分可以以数字的方式或字母数字的方式来显示。此外，用户的表现可以以图形的方式来显示，在时间上和/或在沿焊接接头的位置上示出模拟焊接工具有多接近地横过焊接接头。诸如行进角度、加工角度、速度以及离焊接接头的距离等参数是可以被测量的内容的实例，然而出于评分的目的任何参数均可以被分析。所述参数的公差范围取自真实世界的焊接数据，从而提供关于用户在真实世界中将会如何表现的准确反馈。在另一实施例中，对与用户的表现相对应的缺陷的分析还可以被包括并显示在ODD 150上。在这个实施例中，可以描绘指示出由测量在虚拟焊接活动期间所监测的各种参数而造成的不连贯是何种类型的图形。尽管吸留在ODD 150上可能不是可视的，但由于用户的表现，缺陷仍可能已经发生，用户表现的结果仍可能会相应地被显示(例如图形化)。同样，各种类型的学员训练数据(例如参数数据和评分数据)可以存储在VRAW系统上。

视觉提示功能1219通过在FMDD 140和/或ODD 150上显示覆盖的颜色和指示标记，向用户提供立即的反馈。针对焊接参数151中的每个焊接参数提供视觉提示，所述焊接参数包括位置、末端到工件距离、焊接角度、行进角度、行进速度、以及弧长度(例如针对手工焊接)，并且如果基于预先限定的极限或公差而用户的焊接技法的某些方面应当被调节，则在视觉上指示所述用户。例如，还可以针对抖动/摆动技法以及焊珠“币状体”间隔提供视觉提示。视觉提示可以被单独或以任何期望的组合来设定。

校准功能1208提供使真实世界空间(3D参照系)中的物理部件与仿真环境(例如，虚拟现实空间)中的可视部件匹配的能力。通过将焊接试样(WC)180安装到T/S 170的臂173上，并且利用可操作地连接至ST 120的校准笔(stylus)在(例如由WC 180上的三处浅凹指示的)预先限定的点处接触WC 180，每种不同类型的WC 180在工厂中被校准。ST 120读取在所述预先限定的点处的磁场强度，提供位置信息至PPS 110，并且PPS 110使用所述位置信息来进行所述校准(即从真实世界空间到虚拟现实空间的转换)。

任何特定类型的WC 180在非常严格的公差之内以相同的可重复方式装配到T/S170的臂173中。因此，一旦特定WC类型被校准，该WC类型不必被重新校准(即特定类型的WC的校准是一次性事件)。相同类型的WC 180是可互换的。校准确保用户在焊接工艺期间所感知的物理反馈匹配在虚拟现实空间中向该用户显示的内容，从而使得仿真看上去更加真实。例如，如果用户围绕实际WC 180的拐角滑动MWT 160的末端，所述用户将会在FMDD 140上看到所述末端围绕虚拟WC的拐角滑动，就像所述用户感觉到的所述末端围绕所述实际的拐角滑动那样。根据本发明的实施例，MWT 160被放置在预先定位的架子(jig)上并且也基于已知的架子位置被校准。

根据本发明的替代性实施例，提供“智能”试样，其在例如试样的拐角上具有传感器。ST 120能够追踪“智能”试样的拐角，使得系统100持续知道“智能”试样在真实世界3D空间中的何处。根据本发明的进一步的替代性实施例，提供许可密钥以“解锁”焊接试样。当特定WC 180被购买时，提供许可密钥，允许用户将所述许可密钥输入系统100，解锁与该WC180相关联的软件。在本发明的另一个实施例中，基于零件的真实世界CAD制图，可以提供特殊的非标准焊接试样。用户可以甚至能够在CAD零件在真实世界中实际生产之前训练焊接所述零件。

声音内容功能1204和焊接声音1205提供特定类型的焊接声音，所述焊接声音根据特定焊接参数是否在公差内或超出公差而改变。声音根据各种焊接工艺和参数来调整。例如，在MIG喷弧焊工艺中，当用户未使MWT 160正确定位时提供噼啪的声音，而当MWT 160被正确定位时提供嘶嘶的声音。在短弧焊接工艺中，针对恰当的焊接技法提供稳定的噼啪或油炸的声音，并且当咬边发生时可以提供嘶嘶的声音。这些声音模仿与正确和不正确的焊接技法相对应的真实世界声音。

根据本发明的各种实施例，高保真声音内容可以使用各种电子和机械装置来取自实际焊接的真实世界录音。根据本发明的实施例，根据用户头部(假设用户正戴着由ST 120追踪的FMDD 140)相对于MWT 160和WC 180之间的仿真的电弧的位置、取向和距离改变声音的所感知音量和方向性。例如，声音可以经由FMDD 140中的耳塞式扬声器910或经由在控制台135或T/S 170中配置的扬声器被提供给用户。

环境模型1203被提供以在仿真环境(例如，虚拟现实空间)中提供各种背景场景(静止的和移动的)。这样的背景环境可以包括(例如)室内焊接车间、室外跑道、车库等并且可以包括移动的汽车、人、鸟、云以及各种环境声音。根据本发明的实施例，背景环境可以是交互性的。例如，用户在开始焊接之前可能必须调查背景区域，以确保环境对于焊接是合适的(例如安全的)。提供焊炬和夹具模型1202，其在虚拟现实空间中建模各种MWT 160，包括例如焊枪、具有手工焊条的固持器等。

提供试样模型1210，其在虚拟现实空间中建模各种WC 180，包括例如平板试样、T形接头试样、对接接头试样、坡口焊接试样、以及管试样(例如2英寸直径的管和6英寸直径的管)。提供支架/桌台模型1206，其在虚拟现实空间中建模T/S 170的各种零件，包括可调桌台171、支架172、可调臂173、以及立柱174。提供物理接口模型1201，其在虚拟现实空间中建模焊接用户接口130、控制台135和ODD 150的各种零件。

根据本发明的一个实施例，实现了虚拟现实空间中的熔池或焊池的仿真，其中所仿真的熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征。根据本发明的实施例，位于熔池仿真的中心的是运行在GPU 115上的焊接物理功能1211(也称为物理模型)。焊接物理功能采用双移置层技术来准确地建模动态流动性/粘滞性(viscosity)、凝固性、热梯度(吸热与散热)、熔池痕迹(wake)、以及焊珠形状。

焊接物理功能1211与焊珠呈现功能1217连通，以便呈现焊道从加热熔融状态到冷却固化状态的全部状态。焊珠呈现功能1217使用来自焊接物理功能1211的信息(例如，热、流动性、移置、币状体间隔)，以便准确地且逼真地以实时的方式在虚拟现实空间中呈现焊珠。3D纹理功能1218将纹理图(texture map)提供至焊珠呈现功能1217，来使附加的纹理(例如焦痕(scorching)、熔渣、颗粒)覆盖到所仿真的焊珠上。例如，熔渣可以被示为在焊接工艺期间和恰好在焊接工艺之后呈现在焊珠上，并且然后被除去以露出下面的焊珠。呈现装置功能1216用于使用来自特殊效果模块1222的信息来呈现各种非熔池的具体特征，包括火花、飞溅、烟尘、电弧光、烟和气体以及特定不连贯(例如咬边和多孔)。

内部物理调整工具1212是允许针对不同焊接工艺限定、更新和修改不同焊接物理参数的微调工具。根据本发明的实施例，内部物理调节工具1212运行在CPU 111上并且所调节的或所更新的参数被下载到GPU 115中。可以经由内部物理调节工具1212来调节的参数类型包括与焊接试样相关联的参数、允许工艺被改变而无需重置焊接试样(允许形成第二焊道)的工艺参数、可以被改变而不会重置整个仿真的各种全局参数以及各种其他参数。

图13是使用图1的虚拟现实训练系统100的训练方法1300的实施例的流程图。在步骤1310中，用户根据焊接技法相对于焊接试样移动模拟焊接工具。在步骤1320中，焊接仿真器(例如，系统100)追踪模拟焊接工具在三维空间中的位置和取向。在步骤1330中，用户观看焊接仿真器的显示器，在所仿真的模拟焊接工具通过在从所述所仿真的模拟焊接工具射出的所仿真的电弧附近形成所仿真的熔池来将所仿真的焊珠材料堆积到所仿真的焊接试样的至少一个仿真表面上时，所述显示器示出模拟焊接工具和焊接试样在仿真环境(例如，虚拟现实空间)中的实时仿真。在步骤1340中，用户在显示器上观看所仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征。在步骤1350中，用户响应于观看所仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征而实时地修改焊接技法的至少一个方面。

方法1300展示了用户如何能够观看虚拟现实空间中的熔池并响应于观看所仿真的熔池的不同特征(包括实时熔融金属流动性(例如，粘滞性)和散热)而改变其焊接技法。用户还可以观看并响应于其他特征，包括实时熔池痕迹和币状体间隔。观看并响应于熔池的特征是大多数焊接操作在真实世界中实际上如何被执行。焊接物理功能1211的双移置层建模在多个GPU 115上运行，允许这样的实时熔融金属流动性和散热特征被准确地建模并向用户展示。例如，散热确定固化时间(即焊元需要多少时间完全地固化)。

此外，用户可以使用相同或不同的(例如第二)模拟焊接工具和/或焊接工艺来在焊珠材料上完成第二焊道。在这样的第二焊道情景中，在所仿真的模拟焊接工具通过在从所仿真的模拟焊接工具射出的所仿真的电弧附近形成第二仿真熔池来堆积与第一仿真焊珠材料结合的第二仿真焊珠材料时，所述仿真示出了虚拟现实空间中的所仿真的模拟焊接工具、焊接试样、以及原始的仿真焊珠材料。可以以类似的方式形成使用相同或不同的焊接工具或工艺的附加的后续焊道。根据本发明的特定实施例，当由先前的焊珠材料、新焊珠材料、以及有可能在下面的试样材料中的任何组合在虚拟现实世界中形成新熔池时，在任一第二或后续焊道中，先前的焊珠材料与正在堆积的新焊珠材料结合。这样的后续焊道可能需要进行大的圆角或坡口焊接，例如可以被执行以修复由先前的焊道形成的焊珠，或者可以包括热焊道和在管焊接中完成根部焊道后的一个或多个填充和盖面焊道。根据本发明的各种实施例，焊珠和母材可以包括软钢、不锈钢、铝、镍基合金、或其他材料。同样，各种类型的学员训练数据(例如参数数据和评分数据)可以被存储在VRAW系统上并且可以稍后相对于如本文稍后描述的学习管理系统(LMS)使用。其他类型的学员训练数据也可以被存储，例如学员标识数据。

用于建模的引擎

图14A和图14B展示了根据本发明的实施例的焊接元素(焊元)移置图1420的构思。图14A示出了具有平坦顶表面1410的平坦焊接试样1400的侧视图。焊接试样1400例如作为塑料部分存在于真实世界中，并且作为所仿真的焊接试样(例如，仿真金属工件)存在于虚拟现实空间中。图14B示出了破碎成焊接元素网格或阵列的所仿真的焊接试样1400的顶表面1410的表示，所述焊接元素被称为“焊元”、形成焊元图1420。每个焊元(例如，焊元1421)限定焊接试样的表面1410的一小部分。焊元图限定表面分辨率。可改变的通道参数值被指配给每个焊元，从而允许每个焊元值在仿真焊接工艺期间实时在仿真环境(例如，虚拟现实焊缝空间)中动态改变。可改变的通道参数值对应于通道熔池(熔融金属流动性/黏性移置)、热量(吸热/散热)、移置(固体移置)、以及额外项(不同额外状态，例如熔渣、颗粒、焦痕、原生金属)。这些可改变的通道在此被称为PHED，分别用于熔池、热量、额外项、以及移置。

图15展示了在图1的焊接训练系统100中仿真的图14A的平坦焊接试样1400的试样空间和焊缝空间的示例性实施例。点0、X、Y和Z限定本地3D试样空间。大体上，每个试样类型限定从3D试样空间到2D虚拟现实焊缝空间的映射。图14B的焊元图1420是映射到虚拟现实中的焊缝空间的值的二维阵列。如图15所示，用户将从点B焊接到点E。在图15中，在3D试样空间和2D焊缝空间两者中示出从点B至点E的轨迹线。

每种类型的试样限定焊元图中的每个位置的移置方向。针对图15的平坦焊接试样，移置方向在焊元图中的所有位置处是相同的(即在Z方向上)。焊元图的纹理坐标在3D试样空间和2D焊缝空间两者中被示出为S、T(有时被称为U、V)以便阐明映射。焊元图被映射到并且表示焊接试样1400的矩形表面1410。

图16展示了在系统100中仿真的拐角焊接试样1600的试样空间和焊缝空间的示例性实施例。如图16所示，拐角焊接试样1600具有在3D试样空间中的两个表面1610和1620，所述表面被映射到2D焊缝空间。同样，点0、X、Y和Z限定本地3D试样空间。焊元图的纹理坐标在3D试样空间和2D焊缝空间两者中被示出为S、T，以便阐明映射。如图16所示，用户将从点B焊接到点E。在图16中，在3D试样空间和2D焊缝空间两者中示出从点B至点E的轨迹线。然而，移置方向朝向如3D试样空间所示的线X'-0'、朝向相反拐角。

图17展示了在系统100中仿真的管焊接试样1700的试样空间和焊缝空间的示例性实施例。管焊接试样1700具有在3D试样空间中的弯曲表面1710，所述弯曲表面被映射到2D焊缝空间。点0、X、Y和Z再一次限定本地3D试样空间。焊元图的纹理坐标在3D试样空间和2D焊缝空间两者中被示出为S、T，以便阐明映射。如图17所示，用户将沿弯曲轨迹从点B焊接到点E。在3D试样空间和2D焊缝空间中分别示出从点B至点E的轨迹曲线。移置方向远离线Y-0(即远离管的中心)。图18示出了图17的管焊接试样1700的示例性实施例。管焊接试样1700由非铁的、不导电的塑料制成，并且仿真一起形成根部接头1703的两个管件1701和1702。还示出了用于附接至支架170的臂173的附接件1704。

以纹理图可以被映射到几何形状的矩形表面区域的类似方式，可焊接焊元图可以被映射到焊接试样的矩形表面。可焊接图的每个元素在图片的每个元素被称为像元(图片元素的缩并)的相同意义上被称为焊元。像元包含限定颜色(例如，红色、绿色、蓝色)的信息通道。焊元包含限定虚拟现实空间中的可焊接表面的信息通道(例如，P、H、E、D)。

根据本发明的实施例，焊元的格式被汇总成包含四个浮点数的通道PHED(熔池、热量、额外项、移置)。额外项通道被视为数位集，所述数位集存储关于焊元的逻辑信息，例如在焊元位置处是否存在任何熔渣。熔池通道存储在焊元位置处的任何液化金属的移置值。移置通道存储在焊元位置处的固化金属的移置值。热量通道存储给定在焊元位置处的热量量值的值。以此方式，试样的可焊接部分可以示出由于焊珠导致的移置、由于液体金属导致的闪烁表面“熔池”、由于热量导致的颜色等。所有这些效果通过应用到可焊接表面上的顶点着色器和像元着色器实现。

根据本发明的实施例，在颗粒可以彼此交互并且与移置图碰撞的地方使用移置图和颗粒系统。颗粒是虚拟动态流体颗粒，并且提供熔池的液体行为，但并不直接呈现(即不是直接视觉可见的)。相反，仅移置图上的颗粒效果是视觉可见的。对焊元的热量输入影响了附近颗粒的移动。在仿真焊接熔池中涉及两种类型的移置，其包括熔池和移置。熔池移置是“暂时的”并且只要存在颗粒和热量时才会持续。移置是“永久的”。熔池移置是焊接的液体金属，其快速改变(例如，闪烁)并且可以被认为是在移置的“顶部上”。这些颗粒覆盖在虚拟表面移置图(即，焊元图)的一部分上。移置表示包括初始母材金属和已经固化的焊珠两者的永久固体金属。

根据本发明的实施例，虚拟现实空间中的仿真焊接工艺工作方式如下：来自发射器(所仿真的模拟焊接工具160的发射器)的颗粒流处于薄锥体中。这些颗粒与所仿真的焊接试样的表面进行第一接触，其中所述表面由焊元图限定。这些颗粒彼此交互并且与焊元图交互，并且实时积聚。添加的热量越多，焊元离发射器越近。取决于与电弧点的距离和从电弧输入热量的时间量来对热量进行建模。某些图形部分(例如，颜色)由热量驱动。熔池在虚拟现实空间中绘制或呈现，用于具有足够热量的焊元。在足够热处，焊元图液化，从而导致熔池移置针对那些焊元位置“升高”。通过对每个焊元位置处的“最高”颗粒进行采样来确定熔池移置。随着发射器沿焊接轨迹移动，留下的焊元位置冷却。以特定速率将热量从焊元位置移除。当到达冷却阈值时，焊元图固化。这样，熔池移置逐渐转化到移置(即固化焊珠)。所添加的移置相当于所移除的熔池，这样使得总高度不改变。颗粒寿命被微调或调整以便持续，直到固化完成。在系统100中建模的某些颗粒特性包括吸引/排斥、速度(与热量相关)、减震(与散热相关)、以及方向(与重力相关)。

图19A至图19C展示了系统100的双移置(移置和颗粒)熔池模型的构思的示例性实施例。在仿真环境(例如，虚拟现实空间)中仿真具有至少一个表面的焊接试样。焊接试样的表面在虚拟现实空间被仿真成包括固体移置层和熔池移置层的双移置层。熔池移置层能够修改固体移置层。

如本文所描述的，“熔池”由焊元图中的一个区域限定，在所述区域中熔池值已经通过颗粒的存在而升高。在图19A至图19C中表示了采样过程。示出了焊元图的具有七个相邻焊元的区段。当前移置值由给定高度(即每个焊元的给定移置)的无阴影的矩形柱1910表示。在图19A中，颗粒1920被示出为与当前移置水平撞击的圆形无阴影点并且被堆积。在图19B中，在每个焊元位置处对“最高”颗粒高度1930进行采样。在图19C中，带阴影矩形1940示出了在移置顶部上由于颗粒而已经添加多少熔池。由于基于热量以特定的液化速率增加熔池，熔池高度初始未设定到所采样的值。尽管未在图19A至图19C中示出，但仍可以将固化过程可视化为熔池(带阴影矩形)逐渐收缩，并且移置(无阴影矩形)从下面逐渐增长到恰好代替熔池。以此方式，准确地仿真了实时熔融金属流动性特征。在用户实习特定焊接工艺时，用户能够在虚拟现实空间中实时观察熔池的熔融金属流动性特征和散热特征，并且使用此信息来调整或维持其焊接技法。

表示焊接试样表面的焊元数目是固定的。此外，如本文描述的，由对模型流动性的仿真产生的熔池颗粒是暂时的。因此，一旦在仿真焊接工艺期间使用焊接训练系统100在虚拟现实空间中产生初始熔池，焊元加熔池颗粒的数目倾向于保持相对恒定。这是因为所处理的焊元的数目是固定的，并且在焊接工艺期间存在的和正被处理的熔池颗粒的数目趋于保持恒定，原因是熔池颗粒以相似速率被创建和“破坏”(即熔池颗粒是暂时的)。因此，基于逻辑处理器的子系统110的处理负载在仿真焊接会话期间保持相对恒定。

根据本发明的替代性实施例，熔池颗粒可以在焊接试样表面之内或下方产生。在此类实施例中，可以相对于原生(即未焊接)试样的原始表面移置将移置建模成正的或负的。以此方式，熔池颗粒可能不仅在焊接试样的表面上积聚，而且还可能渗透该焊接试样。然而，焊元的数目仍然是固定的，并且正在创建和破坏的熔池颗粒仍然是相对恒定的。

根据本发明的替代性实施例，代替对颗粒进行建模，可以提供具有更多通道的焊元移置图以便对熔池的流动性进行建模。或代替对颗粒进行建模，可以对密集型体元图进行建模。或代替焊元图，可以仅对被采样且从不离开的颗粒进行建模。然而，此类替代性实施例可能不为系统100提供相对恒定的处理负载。

此外，根据本发明的实施例，通过取走材料来仿真烧穿或锁眼。例如，如果用户在相同位置保持电弧持续过久，在真实世界中，该材料将烧掉从而产生孔。在系统100中通过焊元抽选技术来仿真此类真实世界烧穿。如果焊元所吸收的热量被系统100确定是过高的，焊元可以被标记或指定为烧掉并且这样呈现(例如，呈现为孔)。然而，随后，可以针对特定焊接工艺(例如，管焊接)发生焊元重新构造，其中材料在初始烧掉之后被添加回。大体上，系统100仿真了焊元抽选(取走材料)和焊元重新构造(将材料添加回)。

此外，在根部焊道焊接中移除材料在系统100中被适当仿真。例如，在真实世界中，根部焊道的研磨可能在随后的焊道之前执行。类似地，系统100可以仿真将材料从虚拟焊接接头移除的研磨焊道。应当理解所移除的材料在焊元图上被建模成负移置。也就是说，研磨焊道移除被系统100建模的材料，从而导致改变的焊珠轮廓。研磨焊道的仿真可以是自动的，这也就是说系统100移除预先确定厚度的材料，该材料可能是对应于根部焊道焊珠的表面。在替代性实施例中，可以仿真实际的研磨工具或研磨器，其通过激活模拟焊接工具160或另一输入设备来打开和关闭。应当指出研磨工具可以被仿真以便类似真实世界研磨器。在此实施例中，用户沿根部焊道操纵研磨工具以便响应于其移动来移除材料。应当理解可以允许用户移除过多的材料。以类似于以上所述的方法，如果用户“研磨掉”太多材料，可能导致孔或锁眼或其他缺陷(以上所描述的)。另外，硬限制或停止可以被实现，即被编程来阻止用户移除太多材料，或指示过多材料何时被移除。

除在此描述的非可视的“熔池”颗粒之外，根据本发明的一个实施例，系统100还使用三种其他类型的可视的颗粒来表示电弧、火焰和火花效应。这些类型的颗粒不与任何类型的其他颗粒交互，但仅与移置图交互。尽管这些颗粒不与仿真焊接表面碰撞，它们不彼此交互。根据本发明的实施例，仅熔池颗粒彼此交互。火花颗粒的物理性质被设置，使得火花颗粒到处跳动并且在仿真环境(例如，虚拟现实空间)中被呈现为发光点。

电弧颗粒的物理性质被设置，使得电弧颗粒撞击仿真试样或焊珠的表面并且停留一段时间。电弧颗粒在虚拟现实空间中被呈现为较大的暗淡青白色点。形成任何种类的虚拟图像需要许多此类点叠加。最终结果是具有蓝色边缘的白色发光光轮。

火焰颗粒的物理性质被建模以便缓慢地向上升高。火焰颗粒被呈现为中等尺寸的暗淡红黄点。形成任何种类的虚拟图像需要许多此类点叠加。最终结果是向上升高并且向外减弱的具有红色边缘的橙红色火焰的斑点。根据本发明的其他实施例，其他类型的非熔池颗粒可以在系统100中实现。例如，烟雾颗粒可能以类似于火焰颗粒的方式来建模和仿真。

在仿真可视化中的最终步骤由GPU 115的着色器117所提供的顶点着色器和像元着色器处理。顶点着色器和像元着色器应用熔池和移置，以及由于热改变的表面颜色和反射性，等等。如本文前面论述的PHED额外项(E)通道焊元格式包含每焊元所使用的所有额外项信息。根据本发明的实施例，额外项信息包括非原生位(真＝焊珠、假＝原生钢)、熔渣位、咬边值(在此焊元处的咬边量，其中零等于无咬边)、多孔值(在此焊元处的多孔量，其中零等于无多孔)、以及对焊珠固化的时间进行编码的焊珠痕迹值。存在与不同试样图形部分(包括原生钢、熔渣、焊珠和多孔)相关联的一组图像映射。这些图像映射用于冲击映射和纹理映射两者。通过在此描述的不同标记和值来控制这些图像映射的混合量。

使用1D图像映射和每个焊珠痕迹值来实现焊珠痕迹效应，该每个焊珠痕迹值对少量给定焊珠固化的时间进行编码。一旦热熔池焊元位置不再是足以被称为“熔池”那样热，在该位置处节约时间并且被称为“焊珠痕迹”。最终结果是着色器代码能够使用1D纹理图来绘制“波纹”，这些波纹给予焊珠其描述所述焊珠铺放所沿方向的独特外观。根据本发明的替代性实施例，系统100能够在虚拟现实空间中仿真并且显示在所仿真的熔池沿焊接轨迹移动时，具有由所仿真的熔池的实时流动性至固化转化所导致的实时焊珠痕迹特征的焊珠。

仿真焊接训练中的游戏构思

如本文所使用的，术语“游戏构思”涉及将竞争和/或娱乐方面引入练习的技术或构造。以此方式，游戏构思可以减少重复训练练习的乏味，为训练练习添加竞争目标，将通向更高级的训练练习与成功完成前级练习链接等。

如以上所指出的，得分可以归因于用户在焊接练习期间(仿真或以其他方式)的表现。量化特定用户相对于特定训练练习的表现的得分可以用来实施本文所描述的许多游戏构思。这种评分技术的变型(例如简单的通过或未通过的确定)也可以适用于某些应用。

在一些示例性实施例中，焊接训练系统/方法为焊接练习设定特定目标(例如，达到至少为x的得分)，所述特定目标必须达到以进行下一练习。在一些示例性实施例中，如果用户由于已标识的缺陷而需努力实现所述特定目标，则系统/方法将用户引到旨在改善缺陷的辅助训练。

在一些示例性实施例中，焊接训练系统/方法利用用户自己的先前性能或另一用户的性能作为基线来鼓励已改进的性能。

在图20中示出了实施一个此类实施例的系统2000。在系统2000中，用户2002正在执行仿真焊接训练练习，例如执行仿真焊接。用户2002相对于焊接试样2006操纵模拟焊接工具2004以执行仿真焊接。用户的移动在由用户2002通过戴于面部的显示设备2010查看的仿真环境2008中示出，例如在虚拟现实空间中示出。

系统2000在仿真环境2008中显示最高得分2020。最高得分2020是用户2002先前针对此特定焊接训练练习实现的“最佳”(典型地是最大数值的)得分。在一些示例性实施例中，比阈值时间段(例如，1个月、6周、1年)更早的得分作为陈旧得分被丢弃并且并不用于最高得分2020的确定。在一些示例性实施例中，最高得分2020可以由用户先前表现的另一基准代替，例如用户的焊接训练练习的一些(或全部)先前表现的平均值。在一些示例性实施例中，最高得分2020可以对应于针对焊接训练练习先前获得的、甚至是由另一用户先前获得的“最佳”得分。在这种情况下，最高得分2020可以对应于组织(例如，公司、学校、班级)中的所有用户之间的“最佳”表现。以此方式，最高得分2020设定了用户2002可以测量其当前表现的基线。

系统2000还在仿真环境2008中显示当前得分2030。当前得分2030表示在仿真焊接训练练习期间用户2002的当前性能。在一些示例性实施例中，当前得分2030在焊接训练练习期间进行实时更新。在一些示例性实施例中，最高得分2020和当前得分2030进行实时更新，其中最高得分2020基于历史数据、基于焊接训练练习期间的进展(例如，仿真焊接的焊接路径上的位置)进行更新。在一些示例性实施例中，最高得分2020和/或当前得分2030仅进行定期更新。在一些示例性实施例中，直到用户2002已经完成仿真焊接训练练习之后才显示当前得分2030。

优选地，但不是必须地，最高得分2020和当前得分2030在仿真环境2008内彼此接近地显示，例如在仿真环境2008的同一象限内显示。

在一些示例性实施例中，焊接训练系统/方法对多个相关用户(例如，教室中的学员)的表现进行排名，以鼓励各用户之间的竞争。

在图21中示出了实施一个此类实施例的系统2100。系统2100包括多个工作站，学员可以在所述工作站处执行焊接训练练习(例如，根据特定的焊接工艺执行特定的焊接)。如图21所示，系统2100包括由第一用户u₁使用的第一工作站2102、由第二用户u₂使用的第二工作站2104、以及由用户u_n使用的第n工作站2106。虽然系统2100支持任何两个或更多个用户，但典型地，系统2100将表示诸如3个或更多个、6个或更多个、9个或更多个、12个或更多个等许多用户的表现。在一些示例性实施例中，系统2100支持2个至100个之间的用户。在一些示例性实施例中，工作站2102、2104、2106中的一个或多个工作站是能够同时支持多个用户的多用户工作站。

在系统2100中，每个用户(u₁，u₂，…，u_n)正在执行同一焊接训练练习。如以上所讨论的，为每个用户基于他们在焊接训练练习的表现来指配得分。系统2100对得分进行收集、比较、排序和存储。此外，系统2100根据他们的排名显示得分。例如，系统2100可以在大显示器2110上显示得分，所述大显示器表示针对练习的数字排行榜2112。排行榜2112在显示器2110上示出经排名的得分、以及其他信息。在所展示的实施例中，排行榜2112显示用户的排名2120、用户的姓名2122、以及用户的得分2124。在一些示例性实施例中，在排行榜2112上显示的得分2124还包括关于用户是通过(“P”)还是未通过(“F”)练习的指示。典型地，通过/未通过的确定是基于得分2124是否满足或超过练习的预定阈值。在一些示例性实施例中，低于某一阈值的得分不显示在排行榜2112上。

如图21所示，名为Angela的用户(即用户u₂)以得分98位于第一位，并且已通过焊接练习；名为Billy的用户(即用户u₁)以得分96并列第二名，并且已通过焊接练习；并且名为Ken的用户(即用户u_n)以得分72位于第三位，并且未通过焊接练习。

理想地，排行榜2112显示在大多数(如果不是全部)用户可以容易地看到的位置。例如，在一些示例性实施例中，显示器2110是安装在工作站2102、2104、2106位于其中的房间前面的大的监视器(例如，LCD屏幕)。在一些示例性实施例中，排行榜2112被投射到用户可见的表面(例如，屏幕、墙壁、天花板)上。在一些示例性实施例中，在工作站是焊接仿真器的情况下，排行榜2112的至少一部分显示在由焊接仿真器生成的(多个)仿真环境中。

在一些示例性实施例中，焊接训练练习是仿真练习，并且每个工作站包括焊接仿真器。在一些示例性实施例中，焊接训练练习是真实世界的练习，并且每个工作站包括焊接单元。

在一些示例性实施例中，焊接训练系统/方法促进不同用户群组之间的竞争。这种群组间竞争的实例包括将一个班级与另一个班级、一个学校与另一个学校、一个组织(例如，公司)与另一个组织等相斗。

在图22中示出了实施一个此类实施例的系统2200。系统2200旨在促进至少两个不同用户群组、在这种情况下为第一学校2210与第二学校2230之间的竞争。第一学校2210包括多个工作站，第一学校2210的学员可以在所述工作站处执行焊接训练练习(例如，根据特定的焊接工艺执行特定的焊接)。如图22所示，第一学校2210包括由第一学员u_1a使用的第一工作站2212、由第二学员u_2a使用的第二工作站2214、以及由学员u_na使用的第n工作站2216。同样地，第二学校2230包括多个工作站，第二学校2230的学员可以所述该工作站处执行焊接训练练习。如图22所示，第二学校2230包括由第一学员u_1b使用的第一工作站2232、由第二学员u_2b使用的第二工作站2234、以及由学员u_mb使用的第M工作站2236。在一些示例性实施例中，n＝m。在一些示例性实施例中，工作站2212、2214、2216、2232、2234、2236中的一个或多个工作站是能够同时支持多个用户(例如，学员)的多用户工作站。

第一学校2210的学员u_1a、u_2a、…u_na相对彼此都在本地。同样地，第二学校2230的学员u_1b、u_2b、…u_mb相对彼此都在本地。在此，“本地”可以意指学员都在同一房间或建筑物内。术语“本地”可以更一般地理解为位于彼此的1英里半径内。相反，在许多情况下，学校2210和2230是彼此远离的。在此，“远离”可以意指学校位于不同的城市、州、邮政编码区域等。术语“远离”可以更一般地理解为彼此分开超过1英里的距离。

因此，为了可以在学校2210和2230之间共享信息，系统2200通过网络2220支持学校2210、2230之间的通信。在一些示例性实施例中，网络2220是因特网。在一些示例性实施例中，网络2220是任何合适的通信网络，例如蜂窝网络或卫星网络。

在系统2200中，基于练习期间用户的表现为每个学校的每个用户计算得分。特别地，系统2200对第一学校2210的每个用户u_1a、u_2a、…、u_na和第二学校2230的每个用户u_1b、u_2b、…、u_mb的得分进行收集、处理、以及存储。

系统2200的处理可以由逻辑部(例如，经编程以执行所述处理的通用计算机和相关设备，例如电缆调制解调器)来执行，所述逻辑部位于：第一学校2210；第二所学校2230；学校2210、2230两者；或学校2210、2230两者都不(即远离这两个学校)。如以上所指出的，可以通过网络2220发生去往/来自学校和逻辑部的信息。

系统2200的处理可以涉及计算每个学校2210、2230的总得分。在一些示例性实施例中，学校2210、2230的总得分被计算为学校学员的个体得分的总和。当所述学校中的一个学校比另一个学校具有更多或更少学员时，这种途径可能无效。在一些示例性实施例中，学校2210、2230的总得分被计算为学校学员的个体得分的平均值。在一些示例性实施例中，可以基于用户的经验水平来调整(例如，加权)用户的个体得分。在一些示例性实施例中，可以对个体得分进行统计分析，以从总得分的计算中去除任何异常值。

每个学校2210、2230的总得分可以以学校容易看到的方式显示。例如，可以使用数字排行榜(例如上述排行榜2112)来在每个学校2210、2230显示总得分。以此方式，第一学校2210的学员可以相对第二学校2230的学员来衡量他们的表现，并且反之亦然。在一些示例性实施例中，所显示的排行榜还可以包括一些或全部学员的个体得分。在一些示例性实施例中，在工作站是焊接仿真器的情况下，排行榜的至少一部分显示在由焊接仿真器生成的(多个)仿真环境中。

在一些示例性实施例中，排行榜上的结果进行定期(例如，每10秒)更新。在一些示例性实施例中，响应于事件(例如，学员之一完成练习)来更新排行榜上的结果。

如以上所指出的，用户对焊接训练练习的表现(例如，呈数字得分的形式)可以用来控制对旨在开发或以其他方式加强相关技能的其他训练练习或同一训练练习的其他变型的访问。

在图23A至图23C中示出了实施一个此类实施例的系统2300。在系统2300中，旨在向学员教授一项或多项技能。为了学习所述(多项)技能，预期学员成功完成一系列焊接训练练习。在所展示的实施例中，练习包括第一练习2302、第二练习2304、第三练习2306、第四练习2308、第五练习2310、以及第六练习2312。所述练习中的一些练习可以例如在它们正在教授的技能、所涉及的材料等方面彼此相关。这些相关的练习可以构成焊接训练模块。在所展示的实施例中，第一练习2302、第二练习2304、以及第三练习2306形成第一模块2320；第四练习2308形成第二模块2322；并且第五练习2310和第六练习2312形成第三模块2324。练习或模块的集合可以形成更广泛的焊接训练课程的一部分。

在系统2300中，各个练习被“锁定”，使得学员不能访问它们。特别地，系统2300具有在可以访问这些已锁定的练习之前必须满足的预定条件。以此方式，可以限制对需要熟练掌握某一技能的练习的访问，直到学员展示对所述技能所需的熟练掌握为止。这也是有用的，因为它给学员带来一种挑战感，例如，在他被允许前进到下一区域/等级之前，他必须达到特定水平的表现。

最初，第一练习2302被解锁，而第二练习2304、第三练习2306、第四练习2308、第五练习2310、以及第六练习2312中的每一个被锁定，如图23A所示。必须满足关于第一练习2302的第一条件2330才解锁第二练习2304。类似地，必须满足关于第二练习2304的第一条件2332才解锁第三练习2306；必须满足关于第三练习2306的第三条件2334才解锁第四练习2308；必须满足关于第四练习2308的第四条件2336才解锁第五练习2310；并且必须满足关于第五练习2310的第五条件2338才解锁第六练习2312。

每个条件可以由系统2300的诸如监督焊接训练练习的指导员等管理员进行设定。所述条件可以因学员而异地或针对不同类型/级别的学员进行调整。

在满足第一条件2330时，第二练习2304变为解锁，如图23B所示。在这个实例中，第一条件2330被设定为“在第一练习2302获得至少90的表现得分”。然后，在满足第二条件2332时，第三练习2306变为解锁，如图23C所示。在这个实例中，第二条件2332被设定为“在第二练习2304获得比在第一练习2302所获得的表现得分更高的表现得分”。重复此过程，得以访问需要满足其他条件的后续练习。在一些示例性实施例中，所述条件中的一个或多个条件可以与其他条件中的一个或多个条件相同。

在本文所讨论的游戏构思的上下文中，对于解锁练习，学员可以受到奖励。例如，可以播放视频和/或音频剪辑以赏识学员的成就。作为另一实例，可以向学员播放和/或显示正在进行的叙述的额外部分。作为又一实例，可以向学员呈现呈学分、徽章或其他数字收藏品等形式的奖励。

在图24A至图24C中示出了实施替代性实施例的系统2400。在系统2400中，旨在向学员教授一项或多项技能。为了学习所述(多项)技能，预期学员成功完成一系列焊接训练练习。在所展示的实施例中，练习包括第一练习2402、第二练习2404、第三练习2406、第四练习2408、第五练习2410、以及第六练习2412。所述练习中的一些练习可以例如在它们正在教授的技能、所涉及的材料等方面彼此相关。这些相关的练习可以构成焊接训练模块。在所展示的实施例中，第一练习2402、第二练习2404、以及第三练习2406形成第一模块2420；第四练习2408形成第二模块2422；并且第五练习2410和第六练习2412形成第三模块2424。练习或模块的集合可以形成更广泛的焊接训练课程的一部分。

在系统2400中，各个模块被“锁定”，使得学员不能访问它们。特别地，系统2400具有在可以访问这些已锁定的模块之前必须满足的预定条件。以此方式，可以限制对需要熟练掌握某一技能的模块的访问，直到学员展示对所述技能所需的熟练掌握为止。这也是有用的，因为它给学员带来一种挑战感，例如，在他被允许前进到下一区域/等级之前，他必须达到特定水平的表现。

最初，第一模块2420被解锁，而第二模块2422和第三模块2424中的每一个被锁定，如图24A所示。必须满足关于第一模块2420的第一条件2430才解锁第二模块2422(并且访问其中的(多个)练习)。类似地，必须满足第二条件2432才解锁第三模块2424(并且访问其中的(多个)练习)。

每个条件可以由系统2400的诸如监督焊接训练练习的指导员等管理员进行设定。所述条件可以因学员而异地或针对不同类型/级别的学员进行调整。

在满足第一条件2430时，第二模块2422变为解锁，如图24B所示。在这个实例中，第一条件2430被设定为“以至少85的表现得分完成第一模块2420中的每个练习”。然后，在满足第二条件2432时，第三模块2424变为解锁，如图24C所示。在这个实例中，第二条件2432被设定为“连续三次以至少80的表现得分完成第二模块2422中的每个练习”。可以重复此过程，得以访问需要满足其他条件的后续模块(和其中的(多个)练习)。在一些示例性实施例中，所述条件中的一个或多个条件可以与其他条件中的一个或多个条件相同。

在本文所讨论的游戏构思的上下文中，对于解锁模块，学员可以受到奖励。例如，可以播放视频和/或音频剪辑以赏识学员的成就。作为另一实例，可以向学员播放和/或显示正在进行的叙述的额外部分。作为又一实例，可以向学员呈现呈学分、徽章或其他数字收藏品等形式的奖励。

虽然本文中讨论的实施例与以上讨论的系统和方法相关，但这些实施例旨在是示例性的并且并不旨在将这些实施例的适用范围限制在仅本文所阐述的那些讨论。本文中所讨论的控制系统和方法论同等地应用于与电弧焊接、激光焊接、硬钎焊、软钎焊、等离子体切割、水射流切割、激光切割的模拟相关的系统和方法、以及使用类似控制方法论的任何其他系统或方法，并且可以用于其中，而不脱离以上讨论的发明的精神或范围。本文的实施例和讨论可以容易地由本领域的技术人员并入到这些系统和方法中的任何系统和方法中。

虽然已经参考某些实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种改变并且用等效物替换。此外，可以进行许多修改来使得具体的情形或材料与本发明传授内容相适配而不背离其范围。因此，所旨在的是本发明并不受限于所披露的这些具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (32)

1.一种焊接仿真器，包括：

显示器；

模拟焊接工具；

试样；以及

逻辑部，所述逻辑部包括存储器和处理器，所述存储器存储机器可读指令，所述处理器用于执行所述指令以：

生成仿真环境；

在第一仿真焊接练习期间，用户追踪所述模拟焊接工具相对于所述试样的移动；

在所述显示器上显示所述仿真环境和所述移动；

基于所述移动来确定多个表现参数的值；以及

通过将所述表现参数的值与预定值进行比较来计算所述用户对于所述第一仿真焊接练习的表现得分。

2.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述逻辑部仅在所述用户的表现得分满足所述第一仿真焊接练习的预定阈值得分时才允许所述用户执行第二仿真焊接练习。

3.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述逻辑部仅在所述用户的表现得分在所述第一仿真焊接练习的多次连贯表现上满足所述第一仿真焊接练习的预定阈值得分时才允许所述用户执行第二仿真焊接练习。

4.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述逻辑部使所述用户的表现得分在另一用户对所述第一仿真焊接练习的表现期间显示在所述显示器上。

5.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述逻辑部使所述用户的表现得分在所述用户对所述第一仿真焊接练习的后续表现期间显示在所述显示器上。

6.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述逻辑部使在某个时间段上针对所述第一仿真焊接练习计算的每个表现得分被存储；并且

其中，所述逻辑部使所存储表现得分的最高值在所述时间段上所述第一仿真焊接练习的每次表现期间显示在所述显示器上。

7.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述逻辑部使在某个时间段上针对所述第一仿真焊接练习计算的每个表现得分被存储；并且

其中，所述逻辑部使所有所存储表现得分显示在多个用户可同时看到的公共显示器上。

8.如权利要求7所述的焊接仿真器，其中，所述所存储的表现得分以降序显示。

9.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述逻辑部使在某个时间段上针对所述第一仿真焊接练习计算的每个表现得分被存储；并且

其中，所述逻辑部使给定数量的所存储表现得分显示在多个用户可同时看到的公共显示器上。

10.如权利要求9所述的焊接仿真器，其中，所述给定数量的所存储表现得分以降序显示。

11.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述表现参数中的至少一个表现参数是所述模拟焊接工具的末端与所述试样之间的距离。

12.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述表现参数中的至少一个表现参数是焊接角度。

13.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述表现参数中的至少一个表现参数是行进角度。

14.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述表现参数中的至少一个表现参数是在所述第一仿真焊接练习期间所述模拟焊接工具的行进速度。

15.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述显示器是焊接面罩的一部分。

16.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述仿真环境是虚拟现实环境。

17.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述仿真环境是增强现实环境。

18.一种焊接训练系统，包括：

第一焊接仿真器，所述第一焊接仿真器包括：

第一显示器；

第一模拟焊接工具；以及

第一试样；

第二焊接仿真器，所述第二焊接仿真器包括：

第二显示器；

第二模拟焊接工具；以及

第二试样；以及

逻辑部，所述逻辑部包括存储器和处理器，所述存储器存储机器可读指令，所述处理器用于执行所述指令以：

生成仿真环境；

在仿真焊接练习期间，由第一用户追踪所述第一模拟焊接工具相对于所述第一试样的第一移动；

在所述第一显示器上显示所述仿真环境和所述第一移动；

基于所述第一移动来确定多个表现参数的第一值；

通过将所述表现参数的第一值与对应的预定值进行比较来计算所述第一用户对于所述仿真焊接练习的第一表现得分；

在所述仿真焊接练习期间，由第二用户追踪所述第二模拟焊接工具相对于所述第二试样的第二移动；

在所述第二显示器上显示所述仿真环境和所述第二移动；

基于所述第二移动来确定所述表现参数的第二值；以及

通过将所述表现参数的第二值与所述预定值进行比较来计算所述第二用户对于所述仿真焊接练习的第二表现得分。

19.如权利要求18所述的焊接训练系统，其中，所述逻辑部使所述第一用户执行所述仿真焊接练习的进度显示在所述第二显示器上。

20.如权利要求18所述的焊接训练系统，其中，所述逻辑部使所述第二用户执行所述仿真焊接练习的进度显示在所述第一显示器上。

21.如权利要求18所述的焊接训练系统，其中，所述逻辑部确定所述第一表现得分和所述第二表现得分中的较大者是获胜得分；并且

其中，所述逻辑部使所述获胜得分显示在所述第一显示器和所述第二显示器两者上。

22.如权利要求18所述的焊接训练系统，其中，如果所述逻辑部确定所述第一用户在所述第二用户之前完成所述仿真焊接练习，则所述逻辑部使所述第一表现得分显示在所述第二显示器上。

23.如权利要求18所述的焊接训练系统，其中，如果所述逻辑部确定所述第二用户在所述第一用户之前完成所述仿真焊接练习，则所述逻辑部使所述第二表现得分显示在所述第一显示器上。

24.一种焊接训练系统，包括：

第一训练站点，在所述第一训练站点处定位有：

第一焊接仿真器，所述第一焊接仿真器包括：

第一显示器；

第一模拟焊接工具；以及

第一试样；

第二焊接仿真器，所述第二焊接仿真器包括：

第二显示器；

第二模拟焊接工具；以及

第二试样；以及

第一逻辑部，所述第一逻辑部包括存储器和处理器，所述存储器存储机器可读指令，所述处理器用于执行所述指令以：

生成第一仿真环境；

在仿真焊接练习期间，由第一用户追踪所述第一模拟焊接工具相对于所述第一试样的第一移动；

在所述第一显示器上显示所述第一仿真环境和所述第一移动；

基于所述第一移动来确定多个表现参数的第一值；

通过将所述表现参数的第一值与对应的预定值进行比较来计算所述第一用户对于所述仿真焊接练习的第一表现得分；

在所述仿真焊接练习期间，由第二用户追踪所述第二模拟焊接工具相对于所述第二试样的第二移动；

在所述第二显示器上显示所述第一仿真环境和所述第二移动；

基于所述第二移动来确定所述表现参数的第二值；以及

通过将所述表现参数的第二值与所述预定值进行比较来计算所述第二用户对于所述仿真焊接练习的第二表现得分；以及

第二训练站点，在所述第二训练站点处定位有：

第三焊接仿真器，所述第三焊接仿真器包括：

第三显示器；

第三模拟焊接工具；以及

第三试样；

第四焊接仿真器，所述第四焊接仿真器包括：

第四显示器；

第四模拟焊接工具；以及

第四试样；以及

第二逻辑部，所述第二逻辑部包括存储器和处理器，所述存储器存储机器可读指令，所述处理器用于执行所述指令以：

生成第二仿真环境；

在所述仿真焊接练习期间，第三用户追踪所述第三模拟焊接工具相对于所述第三试样的第三移动；

在所述第三显示器上显示所述第二仿真环境和所述第三移动；

基于所述第三移动来确定多个表现参数的第三值；

通过将所述表现参数的第三值与所述预定值进行比较来计算所述第三用户对于所述仿真焊接练习的第三表现得分；

在所述仿真焊接练习期间，第四用户追踪所述第四模拟焊接工具相对于所述第四试样的第四移动；

在所述第四显示器上显示所述第二仿真环境和所述第四移动；

基于所述第四移动来确定所述表现参数的第四值；以及

通过将所述表现参数的第四值与所述预定值进行比较来计算所述第四用户对于所述仿真焊接练习的第四表现得分，

其中，所述第一逻辑部能操作以通过网络将所述第一表现得分和所述第二表现得分中的至少一个发送到所述第二逻辑部；并且

其中，所述第二逻辑部能操作以通过所述网络将所述第三表现得分和所述第四表现得分中的至少一个发送到所述第一逻辑部。

25.如权利要求24所述的焊接训练系统，其中，所述第一逻辑部能操作以将所述第一表现得分和所述第二表现得分相加成总得分，并且

其中，所述第一逻辑部能操作以通过所述网络将所述总得分发送到所述第二逻辑部。

26.如权利要求24所述的焊接训练系统，其中，所述第二逻辑部能操作以将所述第三表现得分和所述第四表现得分相加成总得分，并且

其中，所述第二逻辑部能操作以通过所述网络将所述总得分发送到所述第一逻辑部。

27.如权利要求24所述的焊接训练系统，其中，所述第一逻辑部能操作以根据所述第一表现得分和所述第二表现得分来计算平均得分，并且

其中，所述第一逻辑部能操作以通过所述网络将所述平均得分发送到所述第二逻辑部。

28.如权利要求24所述的焊接训练系统，其中，所述第二逻辑部能操作以根据所述第三表现得分和所述第四表现得分计算平均得分，并且

其中，所述第二逻辑部能操作以通过所述网络将所述平均得分发送到所述第二逻辑部。

29.如权利要求24所述的焊接训练系统，其中，所述第一站点和所述第二站点是彼此远离的。

30.如权利要求24所述的焊接训练系统，其中，所述第一焊接仿真器和所述第二焊接仿真器是相对彼此在本地的。

31.如权利要求24所述的焊接训练系统，其中，所述第三焊接仿真器和所述第四焊接仿真器是相对彼此在本地的。

32.如权利要求34所述的焊接训练系统，其中，所述网络是因特网。