JP2016532909A - リアルタイム模擬バーチャルリアリティ溶接訓練環境用習得管理システム - Google Patents

リアルタイム模擬バーチャルリアリティ溶接訓練環境用習得管理システム Download PDF

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Abstract

訓練生がリアルタイム模擬バーチャルリアリティ溶接訓練環境において溶接の方法を習得していく際の訓練生の習熟度を追跡する習得管理システム（ＬＭＳ）である。溶接指導者及び訓練生がバーチャルリアリティ溶接環境での指導及び習得に関連するデータを管理することを支援するシステム及び方法が提供される。バーチャルリアリティ溶接システムの使用中に訓練生によって生成される溶接訓練生訓練データが、集中データベースに格納される。集中データベースには、ユーザ（例えば、溶接指導者）が、習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）がインストールされたパーソナルコンピュータを使用してアクセスすることが可能である。ＬＭＳＡは、ユーザが、閲覧、分析、格付け、及び報告のうちの１つ以上を行う為に、訓練生訓練データの少なくとも一部分にアクセスすることを可能にするように構成されている。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本米国特許出願は、参照により全内容が本明細書に組み込まれている、２０１３年９月１１日に出願された米国特許仮出願第６１／８７６，３５２号明細書、並びに２０１４年２月２６日に出願された米国特許出願第１４／１９０，８１２号明細書の利益及び優先権を主張するものである。
本発明は、バーチャルリアリティ模擬訓練に関する。より具体的には、本発明は、訓練生がリアルタイム模擬バーチャルリアリティ溶接訓練環境において溶接の方法を習得していく際の訓練生の習熟度を追跡するシステム及び方法に関する。更により具体的には、本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の習得管理システム、及び請求項１０のプリアンブルに記載の方法に関する。
アーク溶接の方法の習得には、昔から、何時間にもわたる指導、訓練、及び練習が必要である。アーク溶接及び習得可能なアーク溶接プロセスには様々な種類がある。典型的には、溶接の習得は、訓練生が実際の溶接システムを使用し、実際の金属片に対して溶接作業を実施することにより行われる。そのような現実世界での訓練は、乏しい溶接リソースを拘束し、限られた溶接材料を使い尽くす可能性がある。これに対し、最近では、模擬溶接を用いる訓練の概念が広まりつつある。特に、バーチャルリアリティ溶接環境での訓練が活発化している。溶接訓練生のバーチャルリアリティ溶接訓練セッションでは、膨大なデータが発生する可能性がある。溶接指導者は、複数のクラスにおいて、訓練のレベルが様々である複数の訓練生を担当する場合、各訓練生の習熟度を追跡し、その訓練生に対して適切なフィードバックを行うことが非常に困難であることがわかるであろう。そこで、溶接指導者及び訓練生がバーチャルリアリティ溶接環境での指導及び習得に関連するデータを管理することを支援するシステム及び方法を提供することが望ましい。
従来の伝統的な、提案されてきた方法の更なる制限及び不利点が、当業者であれば、本出願のこの後の部分において図面を参照しながら示される、それらの方法と本発明の実施形態との比較を通して明らかになるであろう。
本発明の各実施形態は、訓練生がリアルタイム模擬バーチャルリアリティ溶接訓練環境において溶接の方法を習得していく際の訓練生の習熟度を追跡すること、並びに、溶接指導者及び訓練生がバーチャルリアリティ溶接環境での指導及び習得に関連するデータを管理することを支援することの為のシステム及び方法を提供する。
本発明の一実施形態は、習得管理システム（ＬＭＳ）を提供する。ＬＭＳは、少なくとも１人の訓練生が少なくとも１つのバーチャルリアリティ溶接システム上で少なくとも１つのバーチャル溶接プロセスを実施することに対する応答として訓練生訓練データを生成するように構成された上記少なくとも１つのバーチャルリアリティ溶接システムと、訓練生訓練データを受け取って格納するように構成されたデータベースサーバシステムと、習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）がインストールされたパーソナルコンピュータとを含み、習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）は、パーソナルコンピュータ上で実行されて、有線方式又は無線方式のうちの少なくとも一方で、訓練生訓練データを上記少なくとも１つのバーチャルリアリティ溶接システムからパーソナルコンピュータにダウンロードすることと、訓練生訓練データ、分析結果、及び報告を、パーソナルコンピュータから、外部通信インフラストラクチャを介して、データベースサーバシステムにアップロードすることと、訓練生訓練データをデータベースサーバシステムから、外部通信インフラストラクチャを介して、パーソナルコンピュータにダウンロードすることと、のうちの１つ以上を実施するように構成された実行可能なコンピュータ命令を含む。習得管理システムは又、例えば、インターネット、携帯電話通信網、ＷｉＦｉ通信網、又は衛星通信網などの外部通信インフラストラクチャを含んでよい。ＬＭＳＡは更に、パーソナルコンピュータ上で実行されて、訓練生訓練データを分析し、分析結果及び報告を生成するように構成された実行可能なコンピュータ命令を含んでよい。ＬＭＳＡは更に、パーソナルコンピュータ上で実行されて、訓練生訓練データの少なくとも一部分に基づいて、少なくとも１人の溶接訓練生に対して少なくとも１つの格付けを生成するように構成された実行可能なコンピュータ命令を含んでよい。ＬＭＳＡは更に、パーソナルコンピュータ上で実行されて、訓練生訓練データの少なくとも一部分に基づいて、溶接訓練生が習得に苦労している溶接技能がないかどうかを識別するように構成された実行可能なコンピュータ命令を含んでよい。ＬＭＳＡは更に、パーソナルコンピュータ上で実行されて、訓練生訓練データの少なくとも一部分に基づいて、２人以上の溶接訓練生の溶接パフォーマンスを比較するように構成された実行可能なコンピュータ命令を含んでよい。ＬＭＳＡは、溶接訓練生及び溶接指導者に溶接のレッスン指導及び教材を提供してよい。訓練生訓練データは、バーチャル溶接プロセスの間に溶接訓練生によって影響される、コンタクトチップから工作物までの距離、溶接角度、移動角度、及び移動速度のうちの少なくとも１つを含む溶接パラメータに関連する情報を含んでよい。訓練生訓練データは、溶接訓練生の名前、溶接訓練生が実施したバーチャル溶接プロセスの日時、バーチャル溶接プロセスの間に使用されたデフォルト公差、溶接施工要領書（ＷＰＳ）に基づく技術パラメータスコア、溶接パス番号及びパス当たりの溶接スコア、溶接スコアパスの平均、全スコア、使用された溶接プロセス及び技術、継手の構成及び位置、不連続及びパーセント、継手構成当たりの完了した溶接の数、投資利益報告用データ、訓練生のアーク時間、訓練生の材料使用量、訓練生の模擬訓練装置時間、及びバーチャルリアリティ破壊検査の結果のうちの少なくとも１つに関連する情報を含んでよい。
本発明の一実施形態は、方法を提供する。本方法は、習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）がインストールされたパーソナルコンピュータを使用してデータベースサーバシステムにアクセスするステップと、ＬＭＳＡを使用して、訓練生訓練データをデータベースサーバシステムからパーソナルコンピュータにダウンロードするステップであって、訓練生訓練データは、１つ以上のバーチャルリアリティ溶接システム上で実施された１つ以上のバーチャル溶接プロセスから導出される、上記ステップと、ＬＭＳＡを使用して訓練生訓練データを分析して、訓練生訓練データに関連付けられた１人以上の溶接訓練生の溶接パフォーマンスを判定するステップと、を含む。本方法は更に、ＬＭＳＡを使用して、格付けされた継手構成をリストから選択してクラスの格付け帳を作成するステップと、バーチャルリアリティ溶接システムから直接導出されない溶接のプロジェクト及びアサインメントをデータ操作の為に入力するステップと、データに値付けを適用してコスト節約を判定するステップと、訓練生データをクラス別／期間別／シフト別のうちの１つ以上で編成するステップと、２つの溶接実習又は時点の間の訓練生の上達度を測定するステップと、溶接指導者によって入力されたカットオフスコアに基づいて合格／不合格の通知を生成するステップと、溶接訓練生に関する報告にパフォーマンスコメントを追加するステップと、報告カードを生成し、報告カードに含めるアイテム又は報告カードから排除するアイテムを選択するステップと、溶接訓練生別、溶接クラス別、又は時間枠別のうちの１つ以上で印刷可能な報告を生成するステップと、最終溶接クラス結果をデータベースサーバシステムにアーカイブするステップと、溶接訓練生が溶接実習を決められたレベルまで実施することにより獲得するバーチャル認定を作成及び追跡するステップと、のうちの１つ以上を行うことを含んでよい。本方法は又、ＬＭＳＡを使用して、第１の溶接訓練生が現実世界の溶接機械を使用して実施した現実世界の溶接プロセスの間に生成された現実世界の溶接データを入力するステップと、ＬＭＳＡを使用して、現実世界の溶接データを、第１の溶接訓練生に関連付けられた訓練生訓練データの少なくとも一部分と比較するステップと、を含んでよい。
本発明のこれら及び他の特徴、並びに本発明の例示される実施形態の詳細については、以下の説明、図面、及び特許請求の範囲から、よりよく理解されるであろう。
図１は、リアルタイムバーチャルリアリティ環境においてアーク溶接訓練を提供するシステムのシステムブロック図の一例示的実施形態を示す。 図２は、模擬溶接コンソールと、図１のシステムの監視者ディスプレイ装置（ＯＤＤ）とを組み合わせた一例示的実施形態を示す。 図３は、図２の監視者ディスプレイ装置（ＯＤＤ）の一例示的実施形態を示す。 図４は、図２の模擬溶接コンソールの前部の一例示的実施形態を示し、物理溶接ユーザインタフェース（ＷＵＩ）を示す。 図５は、図１のシステムの模造溶接工具（ＭＷＴ）の一例示的実施形態を示す。 図６は、図１のシステムのテーブル／スタンド（Ｔ／Ｓ）の一例示的実施形態を示す。 図７Ａは、図１のシステムのパイプ溶接試片（ＷＣ）の一例示的実施形態を示す。 図７Ｂは、図７ＡのパイプＷＣが図６のテーブル／スタンド（ＴＳ）のアームにマウントされた様子を示す。 図８は、図１の空間追跡装置（ＳＴ）の一例示的実施形態の各種要素を示す。 図９Ａは、図１のシステムの顔面装着式ディスプレイ装置（ＦＭＤＤ）の一例示的実施形態を示す。 図９Ｂは、図９ＡのＦＭＤＤがユーザの頭部に固定されている様子を示す。 図９Ｃは、図９ＡのＦＭＤＤが溶接ヘルメット内にマウントされた一例示的実施形態を示す。 図１０は、図１のシステムのプログラマブルプロセッサベースのサブシステム（ＰＰＳ）のサブシステムブロック図の一例示的実施形態を示す。 図１１は、図１０のＰＰＳのグラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）のブロック図の一例示的実施形態を示す。 図１２は、図１のシステムの機能ブロック図の一例示的実施形態を示す。 図１３は、図１のバーチャルリアリティ訓練システムを使用する訓練の方法の一実施形態のフローチャートである。 図１４は、バーチャルリアリティ溶接システムの一実施形態を示す。 図１５は、タブレット装置であるパーソナルコンピュータの一実施形態を示す。 図１６は、図１５のタブレット装置の一例示的実施形態の概略ブロック図を示す。 図１７は、習得管理システム（ＬＭＳ）の一実施形態の概略ブロック図を示す。 図１８は、習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）の指導者ホームページのスクリーンショットの一実施形態を示す。 図１９は、習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）の訓練生ホームページのスクリーンショットの一実施形態を示す。
本明細書では最初に、バーチャルリアリティ溶接環境での訓練の概念を文脈に置く為に、バーチャルリアリティアーク溶接（ＶＲＡＷ）システムの一実施形態を説明する。その後、本明細書では、１つ以上のＶＲＡＷシステム（又は同様のバーチャルリアリティ溶接システム）からデータを収集し、これらのデータを記憶及び分析する文脈において、習得管理システム（ＬＭＳ）について説明する。これらのデータは、ＶＲＡＷシステム上で溶接訓練生が実施した模擬溶接動作を表すものであってよく、これらのデータの分析が溶接指導者によって行われて、例えば、溶接訓練生の習熟度を追跡して適切なフィードバックを与えることが行われてよい。
バーチャルリアリティアーク溶接システム
本発明の一実施形態は、１つ以上のバーチャルリアリティアーク溶接（ＶＲＡＷ）システムを提供する。各システムは、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作用的に接続された空間追跡装置と、空間追跡装置によって空間追跡されることが可能な少なくとも１つの模造溶接工具と、プログラマブルプロセッサベースのサブシステムに作用的に接続された少なくとも１つのディスプレイ装置と、を有する。本システムは、バーチャルリアリティ空間において、リアルタイム溶融金属流動性及び熱放散特性を有する溶接だまりを模擬することが可能である。本システムは又、模擬溶接だまりをディスプレイ装置上にリアルタイム表示することが可能である。模擬溶接だまりのリアルタイム溶融金属流動性及び熱放散特性は、模造溶接工具が表示されているときに、そのユーザに対してリアルタイム視覚フィードバックを与えることにより、リアルタイム視覚フィードバックに応じてユーザが溶接技術をリアルタイムで調節したり維持したりすることを可能にする（即ち、ユーザが溶接を正しく習得することを支援する）。表示される溶接だまりは、ユーザの溶接技術並びに選択されている溶接プロセス及びパラメータに基づいて、現実世界において形成されるであろう溶接だまりを表す。たまり（例えば、形状、色、スラグ、サイズ、積み重なった１０セント硬貨（ｓｔａｃｋｅｄ ｄｉｍｅｓ））を閲覧することにより、ユーザは、良好な溶接を行えるように自分の技術を修正することが可能であり、行われている溶接のタイプを特定することが可能である。たまりの形状は、ガン又はスティックの動きに応答する。本明細書では、「リアルタイム」という用語は、模擬環境において、時間的に、ユーザが現実世界の溶接シナリオであれば知覚及び体感するであろう様式と同じ様式で知覚及び体感することを意味する。更に、溶接だまりは、重力を含む物理環境の作用に応答することにより、ユーザが、頭上溶接及び様々なパイプ溶接角度（例えば、１Ｇ、２Ｇ、５Ｇ、６Ｇ）を含む様々な体勢での溶接を実際的に練習することを可能にする。本システムは更に、溶接訓練生に対する模擬バーチャルリアリティ溶接セッションに関連するデータを保存することが可能である。
図１は、リアルタイムバーチャルリアリティ環境においてアーク溶接訓練を提供するシステム１００のシステムブロック図の一例示的実施形態を示す。システム１００は、処理ユニット及びコンピュータメモリを有する、プログラマブルプロセッサベースのサブシステム（ＰＰＳ）１１０を含む。システム１００は更に、ＰＰＳ １１０に作用的に接続された空間追跡装置（ＳＴ）１２０を含む。システム１００は又、ＰＰＳ １１０に作用的に接続された物理溶接ユーザインタフェース（ＷＵＩ）１３０と、ＰＰＳ １１０及びＳＴ １２０に作用的に接続された顔面装着式ディスプレイ装置（ＦＭＤＤ）１４０と、を含む。システム１００は更に、ＰＰＳ １１０に作用的に接続された監視者ディスプレイ装置（ＯＤＤ）１５０を含む。システム１００は又、ＳＴ １２０及びＰＰＳ １１０に作用的に接続された少なくとも１つの模造溶接工具（ＭＷＴ）１６０を含む。システム１００は更に、テーブル／スタンド（Ｔ／Ｓ）１７０と、Ｔ／Ｓ １７０に取り付け可能な少なくとも１つの溶接試片（ＷＣ）１８０と、を含む。本発明の一代替実施形態によれば、シールドガス源を模擬し、調節可能な流量調整器を有する模造ガス容器が与えられる（図示せず）。
図２は、（溶接電源のユーザインタフェースを模擬する）模擬溶接コンソール１３５と、図１のシステム１００の監視者ディスプレイ装置（ＯＤＤ）１５０とを組み合わせた一例示的実施形態を示す。物理ＷＵＩ １３０は、コンソール１３５の前部にあり、ユーザが各種のモード及び機能を選択する為のノブ、ボタン、及びジョイスティックを備える。ＯＤＤ １５０は、コンソール１３５の上部に取り付けられている。ＭＷＴ １６０は、コンソール１３５の側部に取り付けられたホルダに載っている。コンソール１３５は、ＰＰＳ １１０と、ＳＴ １２０の一部分とを、内部に保持する。一代替実施形態によれば、ＷＵＩ １３０によって提供されるモード及び機能の選択は、タッチスクリーンディスプレイの形式であってよい。
図３は、図２の監視者ディスプレイ装置（ＯＤＤ）１５０の一例示的実施形態を示す。本発明の一実施形態によれば、ＯＤＤ １５０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置である。他のディスプレイ装置も同様に可能である。例えば、本発明の別の実施形態によれば、ＯＤＤ １５０は、タッチスクリーンディスプレイであってよい。ＯＤＤ １５０は、ＰＰＳ １１０から映像（例えば、ＳＶＧＡフォーマット）及び表示情報を受け取る。
図３に示されるように、ＯＤＤ １５０は、各種溶接パラメータ１５１を示す第１のユーザシーンを表示することが可能であり、パラメータとして、位置、作業対象チップ、溶接角度、移動角度、移動速度などがある。これらのパラメータは、グラフィカル形式でリアルタイムで選択及び表示されてよく、正しい溶接技術を教えるために使用される。更に、図３に示されるように、ＯＤＤ １５０は、模擬溶接不連続状態１５２を表示することが可能であり、そのような状態として、例えば、適正でない溶接サイズ、不出来なビード配置、ビードのへこみ、過剰な凸状、アンダーカット、多孔性、不完全な融着、スラグ含有、過剰な飛沫、詰めすぎ、溶け落ち（溶融）などがある。アンダーカットは、溶接箇所又は溶接根元に隣接した母材に溶け込んで、溶接金属で満たされないままになった溝である。アンダーカットは、正しくない溶接角度に起因することが多い。多孔性は、たいていはアークを試片から遠ざけすぎることによって発生する固化中のガス閉じ込めによって形成される、くぼみタイプの不連続である。これらのパラメータ及び状態に関連するデータが、溶接訓練生用ＶＲＡＷシステムに記憶されてよい。
又、図３に示されるように、ＯＤＤ ５０は、ユーザ選択肢１５３を表示することが可能であり、これには、メニュー、アクション、視覚キュー、新しい試片、及びエンドパスが含まれる。これらのユーザ選択肢は、コンソール１３５のユーザボタンに関連付けられている。ユーザが様々な選択を、例えば、ＯＤＤ １５０のタッチスクリーン、又は物理ＷＵＩ １３０から行うと、表示されている文字が変化して、選択された情報及び他のオプションをユーザに対して提示することが可能である。更に、ＯＤＤ １５０は、ＦＭＤＤ １４０を装着した溶接者が見ているビューを、溶接者が見ているのと同じ角度で、又は、例えば、指導者が選択する様々な角度で表示することが可能である。ＯＤＤ １５０は、指導者及び／又は訓練生が様々な訓練目的で閲覧してよい。例えば、ビューは、溶接終了箇所の周囲を旋回させてよく、これによって、指導者による目視検査が可能になる。本発明の一代替実施形態によれば、遠隔での閲覧及び／又は批評の為に、システム１００からの映像が遠隔場所へ、例えば、インターネットにより送信されてよい。更に、音声が提供されてよく、これによって、訓練生と遠隔の指導者との間でリアルタイム音声通信が可能になる。
図４は、図２の模擬溶接コンソール１３５の前部の一例示的実施形態を示しており、物理溶接ユーザインタフェース（ＷＵＩ）１３０を示している。ＷＵＩ １３０は、ＯＤＤ １５０に表示されているユーザ選択肢１５３に対応する一連のボタン１３１を含む。ボタン１３１は、ＯＤＤ １５０に表示されているユーザ選択肢１５３の色に対応する色が付けられている。ボタン１３１の何れかが押されると、信号がＰＰＳ １１０に送信されて、対応する機能が活性化される。ＷＵＩ １３０は又、ユーザがＯＤＤ １５０に表示されている様々なパラメータ及び選択肢を選択する為に使用可能なジョイスティック１３２を含む。ＷＵＩ １３０は更に、ワイヤ送り速度／アンペアを調節するダイヤル又はノブ１３３、並びにボルト／トリムを調節する別のダイヤル又はノブ１３４を含む。ＷＵＩ １３０は又、アーク溶接プロセスを選択するダイヤル又はノブ１３６を含む。本発明の一実施形態によれば、３つのアーク溶接プロセスが選択可能であり、それらは、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）（ガスシールド法及び自己シールド法を含む）、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）（ショートアーク、軸方向噴霧、ＳＴＴ、及びパルスを含む）、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、及びシールドメタルアーク溶接（ＳＭＡＷ）（Ｅ６０１０及びＥ７０１０電極を含む）を含む。ＷＵＩ １３０は更に、溶接極性を選択するダイヤル又はノブ１３７を含む。本発明の一実施形態によれば、３つのアーク溶接極性が選択可能であり、それらは、交流（ＡＣ）、正の直流（ＤＣ＋）、及び負の直流（ＤＣー）を含む。
図５は、図１のシステム１００の模造溶接工具（ＭＷＴ）１６０の一例示的実施形態を示す。図５のＭＷＴ １６０は、プレート及びパイプの溶接用のスティック型溶接工具を模擬し、ホルダ１６１及び模擬スティック電極１６２を含む。ＭＷＤ １６０の引き金を用いて、ＰＰＳ １１０に信号を伝達することにより、選択されている模擬溶接プロセスを活性化させる。模擬スティック電極１６２は、触覚抵抗性チップ１６３を含み、チップ１６３は、例えば、現実世界でのパイプ溶接又はプレート溶接の際のルートパス溶接手順の間に発生する抵抗性のフィードバックを模擬する。ユーザが模擬スティック電極１６２をルートの外に遠く戻しすぎた場合、ユーザは、抵抗をより低く感じるか感知することができ、それによって、現在の溶接プロセスを調節又は維持する為に用いるフィードバックを導出することが可能である。
スティック溶接工具は、バーチャル溶接プロセス中に模擬スティック電極１６２を引き抜くアクチュエータ（図示せず）が組み込まれてよいことが考えられている。即ち、ユーザがバーチャル溶接活動に従事するにつれて、ホルダ１６１と模擬スティック電極１６２のチップとの間の距離が縮まることにより、電極の消耗が模擬される。消耗率、即ち、スティック電極１６２の引き抜きは、ＰＰＳ １１０によって制御されてよく、より具体的には、ＰＰＳ １１０によって実行されるコード化命令によって制御されてよい。模擬消耗率は、ユーザの技術次第であってもよい。ここで言及しておくべき注目点として、システム１００は、様々なタイプの電極によるバーチャル溶接を促進する為、スティック電極１６２の消耗率又は短縮は、用いられる溶接手順及び／又はシステム１００のセットアップに応じて異なってよい。
本発明の他の実施形態による他の模造溶接工具も同様に可能であり、例えば、ワイヤ電極がガン内を通って送られる手持ち式半自動溶接ガンを模擬するＭＷＤが可能である。更に、本発明の他の特定実施形態によれば、ＭＷＴ １６０として実際の溶接工具を使用すれば、システム１００ではこの工具で本物のアークを実際に生成するわけではないとしても、ユーザが手に持ったときの工具の実際の感触をよりよく模擬することが可能であろう。また、模擬訓練装置１００の模擬研削モードで使用する為に、模擬研削工具が与えられてもよい。同様に、模擬訓練装置１００の模擬切断モードで使用する為に、模擬切断工具が与えられてもよい。更に、模擬訓練装置１００で使用する為に、模擬ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）トーチ又は充填材が与えられてよい。
図６は、図１のシステム１００のテーブル／スタンド（Ｔ／Ｓ）１７０の一例示的実施形態を示す。Ｔ／Ｓ １７０は、調節可能テーブル１７１と、スタンド又はベース１７２と、調節可能アーム１７３と、垂直ポスト１７４と、を含む。テーブル１７１、スタンド１７２、及びアーム１７３は、それぞれ垂直ポスト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、垂直ポスト１７４に対して上方、下方、及び回転方向に手動で調節可能である。アーム１７３は、様々な溶接試片（例えば、溶接試片１７５）を保持する為に使用され、ユーザは、訓練時にテーブル１７１上で自分の腕を休ませてよい。垂直ポスト１７４は、アーム１７３及びテーブル１７１がポスト１７１上のどこに垂直方向に位置しているかをユーザが厳密に知ることができるように、位置情報による割出しが行われている。この垂直方向の位置情報は、ユーザがＷＵＩ １３０及びＯＤＤ １５０を使用してシステムに入力してよい。
本発明の一代替実施形態によれば、テーブル１７１及びアーム１７３の位置は、事前プログラムされた設定により、又はＷＵＩ １３０及び／又はＯＤＤ １５０からのユーザの命令により、ＰＳＳ １１０によって自動的に設定されてよい。そのような一代替実施形態では、Ｔ／Ｓ １７０は、例えば、モータ及び／又はサーボ機構を含み、ＰＰＳ １１０からの信号コマンドがモータ及び／又はサーボ機構を作動させる。本発明の更なる代替実施形態によれば、テーブル１７１及びアーム１７３の位置、並びに試片の種類は、システム１００によって検出される。このように、ユーザは、位置情報をユーザインタフェースから手動で入力する必要がない。そのような一代替実施形態では、Ｔ／Ｓ １７０は、位置検出器及び方向検出器を含み、信号コマンドをＰＰＳ １１０に送信して位置及び方向の情報を提供し、ＷＣ １７５は位置検出センサ（例えば、磁界を検出するコイルセンサ）を含む。本発明の一実施形態によれば、ユーザは、調節パラメータが変更されるにつれてＴ／Ｓ １７０が調整される様子のレンダリングをＯＤＤ １５０上で見ることが可能である。
図７Ａは、図１のシステム１００のパイプ溶接試片（ＷＣ）１７５の一例示的実施形態を示す。ＷＣ１７５は、２つの６インチ径パイプ１７５’及び１７５’’が一緒に配置されて溶接対象のルート１７６を形成することを模擬する。ＷＣ １７５は、ＷＣ １７５の一端に接続部１７７を含み、これによって、ＷＣ １７５を精密且つ再現可能な様式でアーム１７３に取り付けることが可能になる。図７Ｂは、図７ＡのパイプＷＣ １７５が図６のテーブル／スタンド（ＴＳ）１７０のアーム１７３にマウントされた様子を示している。ＷＣ １７５を精密且つ再現可能な様式でアーム１７３に取り付けることが可能である為、ＷＣ １７５の空間較正は、工場で一度だけ実施すればよい。そして、現場では、アーム１７３の位置がシステム１００に伝えられている限り、システム１００は、バーチャル環境においてＷＣ １７５を基準としてＭＷＴ １６０及びＦＭＤＤ １４０を追跡することが可能である。ＷＣ １７５が取り付けられる、アーム１７３の第１の部分を、図６に示されるように、アーム１７３の第２の部分に対して傾けることが可能である。これによって、ユーザは、任意の様々な方向及び角度のパイプでパイプ溶接を練習することが可能になる。
図８は、図１の空間追跡装置（ＳＴ）１２０の一例示的実施形態の各種要素を示す。ＳＴ １２０は、システム１００のＰＰＳ １１０と作用的にインタフェース可能な磁気追跡装置である。ＳＴ １２０は、磁気ソース１２１及びソースケーブルと、少なくとも１つのセンサ１２２及び関連付けられたケーブルと、ディスク上のホストソフトウェア１２３と、電源１２４及び関連付けられたケーブルと、ＵＳＢ及びＲＳー２３２のケーブル１２５と、プロセッサ追跡ユニット１２６と、を含む。磁気ソース１２１は、ケーブルを介して、プロセッサ追跡ユニット１２６に作用的に接続可能である。センサ１２２は、ケーブルを介して、プロセッサ追跡ユニット１２６に作用的に接続可能である。電源１２４は、ケーブルを介して、プロセッサ追跡ユニット１２６に作用的に接続可能である。プロセッサ追跡ユニット１２６は、ＵＳＢ又はＲＳー２３２のケーブル１２５を介して、ＰＰＳ １１０に作用的に接続可能である。ディスク上のホストソフトウェア１２３は、ＰＰＳ １１０にロードされることが可能であり、ＳＴ １２０とＰＰＳ １１０との間の機能的通信を可能にする。
図６を参照すると、ＳＴ １２０の磁気ソース１２１は、アーム１７３の第１の部分にマウントされる。磁気ソース１２１は、アーム１７３に取り付けられたＷＣ １７５を取り囲む空間を含むソース１２１の周囲に磁界を生成し、これによって３Ｄ空間基準枠が確立される。Ｔ／Ｓ １７０は、磁気ソース１２１によって生成された磁界を歪ませないように、ほとんど非金属（非鉄且つ非導電性）である。センサ１２２は、３つの空間方向に沿って互いに直交するように位置合わせされた３つの誘導コイルを含む。センサ１２２の各誘導コイルは、３つの方向のそれぞれの磁界強度を測定し、その情報をプロセッサ追跡ユニット１２６に渡す。その結果、システム１００は、ＷＣ １７５がアーム１７３にマウントされたときに磁界によって確立された３Ｄ空間基準枠を基準として、ＷＣ １７５の任意部分がどこにあるかを知ることが可能である。センサ１２２はＭＷＴ １６０又はＦＭＤＤ １４０に取り付けられてよく、これによって、ＭＷＴ １６０又はＦＭＤＤ １４０は、ＳＴ １２０によって、３Ｄ空間基準枠を基準として空間的且つ方向的に追跡されることが可能になる。２つのセンサ１２２が設けられ、プロセッサ追跡ユニット１２６に作用的に接続されると、ＭＷＴ １６０及びＦＭＤＤ １４０の両方の追跡が可能になる。このように、システム１００は、バーチャルリアリティ空間にバーチャルＷＣ、バーチャルＭＷＴ、及びバーチャルＴ／Ｓを作成することが可能であり、ＭＷＴ １６０及びＦＭＤＤ １４０が３Ｄ空間基準枠を基準として追跡される際にバーチャルＷＣ、バーチャルＭＷＴ、及びバーチャルＴ／ＳをＦＭＤＤ １４０及び／又はＯＤＤ １５０上に表示することが可能である。
本発明の一代替実施形態によれば、センサ１２２は、プロセッサ追跡ユニット１２６と無線でインタフェースしてよく、プロセッサ追跡ユニット１２６は、ＰＰＳ １１０と無線でインタフェースしてよい。本発明の他の代替実施形態によれば、システム１００では他のタイプの空間追跡装置１２０が使用されてもよく、例えば、加速度計／ジャイロスコープベースの追跡装置、光学的追跡装置（能動式又は受動式）、赤外線追跡装置、音響追跡装置、レーザ追跡装置、無線周波数追跡装置、慣性追跡装置、拡張現実ベースの追跡システムなどが使用されてよい。その他のタイプの追跡装置も同様に可能であってよい。
図９Ａは、図１のシステム１００の顔面装着式ディスプレイ装置（ＦＭＤＤ）１４０の一例示的実施形態を示す。図９Ｂは、図９ＡのＦＭＤＤ １４０がユーザの頭部に固定されている様子を示す。図９Ｃは、図９ＡのＦＭＤＤ １４０が溶接ヘルメット９００に組み込まれた一例示的実施形態を示す。ＦＭＤＤ １４０は、有線手段又は無線でＰＰＳ １１０及びＳＴ １２０に作用的に接続される。本発明の様々な実施形態によれば、ＳＴ １２０のセンサ１２２は、ＦＭＤＤ １４０又は溶接ヘルメット９００に取り付けられてよく、これによって、ＦＭＤＤ １４０及び／又は溶接ヘルメット９００は、ＳＴ １２０によって生成された３Ｄ空間基準枠を基準として追跡されることが可能になる。
本発明の一実施形態によれば、ＦＭＤＤ １４０は、２Ｄ映像モード及びフレームシーケンシャル映像モードで流れるようなフルモーション映像を出力することが可能な２つのハイコントラストＳＶＧＡ ３Ｄ ＯＬＥＤマイクロディスプレイを含む。ＦＭＤＤ １４０には、バーチャルリアリティ環境の映像が提供され、表示される。ズーム（例えば、２倍）モードが提供されてよく、これによって、ユーザは、例えば、溶接拡大鏡を模擬することが可能になる。
ＦＭＤＤ １４０は更に、２つのイヤスピーカ９１０を含み、これによって、ユーザには、システム１００によって生成される模擬溶接関連の音及び環境音が聞こえることが可能になる。本発明の様々な実施形態によれば、ＦＭＤＤ １４０は、有線または無線の手段でＰＰＳ １１０と作用的にインタフェースしてよい。本発明の一実施形態によれば、ＰＰＳ １１０は、立体的な映像をＦＭＤＤ １４０に提供し、これによって、より強化された奥行き知覚がユーザに与えられる。本発明の一代替実施形態によれば、ユーザは、ＭＷＴ １６０上の操作手段（例えば、ボタン又はスイッチ）を使用して、ＦＭＤＤ １４０上でメニュー及び表示オプションを呼び出して選択することが可能である。これによって、ユーザは、例えば、間違えたときに溶接をリセットしたり、特定のパラメータを変更したり、溶接ビードの軌道の一部分をやり直す為に少し戻ったりすることが容易に可能になってよい。
図１０は、図１のシステム１００のプログラマブルプロセッサベースのサブシステム（ＰＰＳ）１１０のサブシステムブロック図の一例示的実施形態を示す。本発明の一実施形態によれば、ＰＰＳ １１０は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）１１１と、２つのグラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）１１５とを含む。本発明の一実施形態によれば、２つのＧＰＵ １１５は、リアルタイム溶融金属流動性及び熱吸収放散特性を有する溶接だまり（溶融池とも呼ばれる）をバーチャルリアリティで模擬するようにプログラムされている。
図１１は、図１０のＰＰＳ １１０のグラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）１１５のブロック図の一例示的実施形態を示す。各ＧＰＵ １１５は、データ並列アルゴリズムの実施をサポートする。本発明の一実施形態によれば、各ＧＰＵ １１５は、２つのバーチャルリアリティビューを提供することが可能な２つの映像出力１１８及び１１９を備える。これらの映像出力のうちの２つが、ＦＭＤＤ １４０にルーティングされて、溶接者の視点をレンダリングしてよく、第３の映像出力がＯＤＤ １５０にルーティングされて、例えば、溶接者の視点又は他の何らかの視点をレンダリングしてよい。残る第４の映像出力が、例えば、プロジェクタにルーティングされてよい。両ＧＰＵ １１５は、同じ溶接物理計算を行うが、同一視点からでも異なる視点からでもバーチャルリアリティ環境をレンダリングしてよい。ＧＰＵ １１５は、計算統合デバイスアーキテクチャ（ＣＵＤＡ）１１６及びシェーダ１１７を含む。ＣＵＤＡ １１６は、ソフトウェア開発者が業界標準のプログラミング言語でアクセスできる、ＧＰＵ １１５のコンピューティングエンジンである。ＣＵＤＡ １１６は、並列コアを含み、本明細書に記載の溶接だまり模擬の物理モデルを動作させる為に使用される。ＣＰＵ １１１は、ＧＰＵ １１５上でリアルタイム溶接入力データをＣＵＤＡ １１６に渡す。シェーダ１１７の役割は、模擬の全ての映像を描画して適用することである。ビード及びたまりの映像は、本明細書において後述される溶接画素ディスプレイスメントマップの状態によって駆動される。本発明の一実施形態によれば、物理モデルは、毎秒約３０回のレートで動作し、更新される。
図１２は、図１のシステム１００の機能ブロック図の一例示的実施形態を示す。図１２に示される、システム１００の各種機能ブロックは、ほとんどが、ＰＰＳ 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実施される。システム１００の各種機能ブロックは、物理インタフェース１２０１、トーチ及びクランプモデル１２０２、環境モデル１２０３、音コンテンツ機能性１２０４、溶接音１２０５、スタンド／テーブルモデル１２０６、内部アーキテクチャ機能性１２０７、較正機能性１２０８、試片モデル１２１０、溶接物理１２１１、内部物理調節ツール（トウィーク（ｔｗｅａｋｅｒ））１２１２、グラフィカルユーザインタフェース機能性１２１３、グラフ表示機能性１２１４、訓練生報告機能性１２１５、レンダラ１２１６、ビードレンダリング１２１７、３Ｄテクスチャ１２１８、視覚キュー機能性１２１９、スコア付け及び公差機能性１２２０、公差エディタ１２２１、及び特殊効果１２２２を含む。
内部アーキテクチャ機能性１２０７は、システム１００の各処理の高レベルのソフトウェアロジスティクスを提供し、これには、例えば、ファイルをロードすること、情報を保持すること、スレッドを管理すること、物理モデルをオンにすること、メニューをトリガすることなどが含まれる。本発明の一実施形態によれば、内部アーキテクチャ機能性１２０７は、ＣＰＵ １１１上で動作する。ＰＰＳ １１０に対するリアルタイム入力として、例えば、アーク場所、ガン位置、ＦＭＤＤ又はヘルメットの位置、ガンのオン／オフ状態、接触状態（接触／非接触）などがある。
グラフィカルユーザインタフェース機能性１２１３は、ユーザが、ＯＤＤ １５０を通して、物理ユーザインタフェース１３０のジョイスティック１３２を使用して、溶接シナリオをセットアップすることを可能にする。本発明の一実施形態によれば、溶接シナリオのセットアップは、言語の選択、ユーザ名の入力、練習用プレート（即ち、溶接試片）の選択、溶接プロセス（例えば、ＦＣＡＷ、ＧＭＡＷ、ＳＭＡＷ）及び関連する軸方向噴霧、パルス、又は短アークの方法の選択、ガスタイプ及び流量の選択、スティック電極のタイプの選択（例えば、６０１０又は７０１８）、及びフラックスコアワイヤのタイプ（例えば、自己シールド、ガスシールド）の選択を含む。溶接シナリオのセットアップは又、Ｔ／Ｓ １７０のテーブル高さ、アーム高さ、アーム位置、及びアーム回転の選択も含む。溶接シナリオのセットアップは更に、環境（例えば、バーチャルリアリティ空間における背景環境）の選択、ワイヤ送り速度の設定、電圧レベルの設定、アンペア数の設定、極性の選択、及び特定の視覚キューをオン又はオフにすることを含む。
模擬溶接シナリオの間に、グラフ表示機能性１２１４は、ユーザパフォーマンスパラメータを収集し、このユーザパフォーマンスパラメータを、（例えば、ＯＤＤ １５０上での）グラフ形式での表示の為に、グラフィカルユーザインタフェース機能性１２１３に渡す。ＳＴ １２０からの追跡情報は、グラフ表示機能性１２１４に送られる。グラフ表示機能性１２１４は、シンプル分析モジュール（ＳＡＭ）及びホイップ／ウィーブ分析モジュール（ＷＷＡＭ）を含む。ＳＡＭは、溶接移動角度、移動速度、溶接角度、位置、及びチップから工作物までの距離を含むユーザ溶接パラメータを、ビードテーブルに格納されているデータと比較することによって分析する。ＷＷＡＭは、１０セント硬貨間隔、ホイップ時間、及びたまり時間を含むユーザホイップパラメータを分析する。ＷＷＡＭは又、ウィーブ幅、ウィーブ間隔、及びウィーブタイミングを含むユーザウィーブパラメータを分析する。ＳＡＭ及びＷＷＡＭは、生の入力データ（例えば、位置及び方向のデータ）をグラフ表示用として機能的に使用可能なデータに変換する。ＳＡＭ及びＷＷＡＭによって分析された各パラメータについて、公差エディタ１２２１を使用してビードテーブルに入力される最適又は理想的な設定点の前後のパラメータ限界によって、公差ウィンドウが定義され、スコア付け及び公差機能性１２２０が実施される。様々なタイプの訓練生訓練データ（例えば、パラメータデータやスコア付けデータなど）が、ＶＲＡＷシステムに記憶されてよく、後で、本明細書において後述される習得管理システム（ＬＭＳ）に対して使用されてよい。
公差エディタ１２２１は、材料使用量、電気使用量、及び溶接時間を概算する溶接計（ｗｅｌｄｏｍｅｔｅｒ）を含む。更に、特定のパラメータが公差から外れると、溶接不連続（即ち、溶接欠陥）が発生する可能性がある。溶接不連続がある状態は、グラフ表示機能性１２１４によって処理され、グラフィカルユーザインタフェース機能性１２１３によってグラフ形式で提示される。そのような溶接不連続として、適正でない溶接サイズ、不出来なビード配置、ビードのへこみ、過剰な凸状、アンダーカット、多孔性、不完全な融着、スラグ含有、詰めすぎ、溶け落ち、過剰な飛沫などがある。本発明の一実施形態によれば、不連続のレベル又は量は、特定のユーザパラメータが最適又は理想的な設定点からどれだけ離れているかに依存する。
例えば、溶接初心者、溶接の専門家、見本市の人々など、様々なタイプのユーザに対して、様々なパラメータ限界があらかじめ規定されてよい。スコア付け及び公差機能性１２２０は、ユーザが特定のパラメータに関して最適（理想）にどれだけ近いかに応じて、且つ、溶接に存在する不連続又は欠陥のレベルに応じて、数値スコアを与える。最適値は、現実世界のデータから導出される。指導者及び／又は訓練生のパフォーマンス報告を作成する為に、スコア付け及び公差機能性１２２０からの情報、及びグラフ表示機能性１２１４からの情報が訓練生報告機能性１２１５によって使用されてよい。
システム１００は、バーチャル溶接活動の結果を分析して表示することが可能である。結果を分析することにより、システム１００が、溶接パスの間のどの時点で、且つ、溶接継手に沿ったどの場所で、ユーザが溶接プロセスの許容可能限界からずれたかを特定することが可能であることが意図されている。スコアは、ユーザのパフォーマンスに帰するものであってよい。一実施形態では、スコアは、幾つかの公差範囲にわたる、模造溶接工具１６０の位置、方向、及び速度のずれの関数であってよく、これらの範囲は、理想的な溶接パスから、ぎりぎりの、又は容認できない溶接活動にわたってよい。ユーザのパフォーマンスのスコア付けの為に選択されるように、各範囲が任意の勾配でシステム１００に組み込まれてよい。スコア付けは数字または英数字で表示され得る。更に、ユーザのパフォーマンスは、模造溶接工具がどれだけ綿密に溶接継手をトラバースしたかを、時間及び／又は溶接継手沿いの位置でグラフィカルに示すように表示されてよい。測定可能なパラメータとして、例えば、移動角度、作業角度、速度、溶接継手からの距離などがあるが、任意のパラメータがスコア付けの為に分析されてよい。各パラメータの公差範囲は、現実世界の溶接データから取得されてよく、これによって、ユーザが現実世界ではどのようなパフォーマンスを行うかについての正確なフィードバックが得られる。別の実施形態では、ユーザのパフォーマンスに対応する欠陥の分析も組み込まれてよく、ＯＤＤ １５０上に表示されてよい。この実施形態では、バーチャル溶接活動の間にモニタリングされた各種パラメータの測定結果から、どのようなタイプの不連続が発生したかを示すグラフが描画されてよい。閉塞箇所はＯＤＤ １５０では見えない可能性があるが、それでも、ユーザのパフォーマンスの結果として欠陥が発生している可能性があり、その結果がそれ相応に表示される、即ち、グラフ表示される可能性がある。ここでも、様々なタイプの訓練生訓練データ（例えば、パラメータデータやスコア付けデータなど）が、ＶＲＡＷシステムに記憶されてよく、後で、本明細書において後述される習得管理システム（ＬＭＳ）に対して使用されてよい。
視覚キュー機能性１２１９は、ＦＭＤＤ １４０及び／又はＯＤＤ １５０上に色及びインジケータをオーバレイ表示することによって、即時フィードバックをユーザに与える。視覚キューは、位置、チップから工作物までの距離、溶接角度、移動角度、移動速度、及び（例えば、スティック溶接の場合の）アーク長さを含む溶接パラメータ１５１のそれぞれに対して与えられ、所定の限界又は公差に基づいて、ユーザの溶接技術において調節が必要な態様があれば、これをユーザに視覚的に示す。視覚キューは又、例えば、ホイップ／ウィーブ技術や溶接ビードの「１０セント硬貨」間隔に対して与えられてよい。視覚キューは、それぞれ別々に設定されても、何らかの所望の組み合わせで設定されてもよい。
較正機能性１２０８は、現実世界空間（３Ｄ基準枠）の物理構成要素を、バーチャルリアリティ空間の視覚構成要素と調和させる機能を提供する。それぞれ異なるタイプの溶接試片（ＷＣ）が工場で較正され、これは、ＷＣをＴ／Ｓ １７０のアーム１７３にマウントし、ＷＣの（例えば、ＷＣ上の３つのディンプルで示された）所定箇所を、ＳＴ １２０に作用的に接続された較正スタイラスでタッチすることにより行われる。ＳＴ １２０は、所定箇所の磁界強度を読み取り、位置情報をＰＰＳ １１０に渡し、ＰＰＳ １１０は、この位置情報を使用して較正（即ち、現実世界空間からバーチャルリアリティ空間への変換）を実施する。
いかなる特定タイプのＷＣであっても、同じ再現可能な様式で非常に厳格な公差内で、Ｔ／Ｓ １７０のアーム１７３に収まる。従って、ある特定のＷＣタイプが較正されたら、そのＷＣタイプは再較正される必要がない（即ち、ある特定タイプのＷＣの較正は１回限りのことである）。同じタイプのＷＣには互換性がある。較正によって、溶接プロセスの間にユーザが知覚する物理フィードバックが、バーチャルリアリティ空間においてユーザに対して表示されるものと調和することが確実になり、これによって、模擬が一層リアルに感じられる。例えば、ユーザがＭＷＴ １６０のチップを実際のＷＣ １８０のコーナー周辺でスライドさせると、ユーザは、チップが実際のコーナー周辺でスライドしているのを感じながら、ＦＭＤＤ １４０上で、チップがバーチャルＷＣのコーナー周辺でスライドしているのを見ることになる。本発明の一実施形態によれば、ＭＷＴ １６０は、あらかじめ配置されているジグの中に置かれ、既知のジグ位置に基づいて、同様に較正される。
本発明の一代替実施形態によれば、「スマート」試片が与えられ、この試片は、例えば、試片のコーナーにセンサを有する。「スマート」試片が現実世界の３Ｄ空間のどこにあるかをシステム１００が連続的に認識するように、ＳＴ １２０が「スマート」試片のコーナーを追跡することが可能である。本発明の更なる代替実施形態によれば、溶接試片を「ロック解除」する為のライセンスキーが提供される。ある特定のＷＣを購入すると、ライセンスキーが提供され、ユーザは、このライセンスキーをシステム１００に入力することにより、そのＷＣに関連付けられたソフトウェアのロックを解除することが可能である。本発明の別の実施形態によれば、部品の、現実世界のＣＡＤ図面に基づく特殊な非標準溶接試片が与えられてよい。ユーザは、その部品が現実世界において実際に製造される前であっても、ＣＡＤ部品を溶接する訓練を行うことが可能であってよい。
音コンテンツ機能性１２０４及び溶接音１２０５は、特定の溶接パラメータが公差内か公差外かに応じて変化する特定タイプの溶接音を与える。音は、様々な溶接プロセス及び溶接パラメータに合わせて作られている。例えば、ＭＩＧ噴霧アーク溶接プロセスの場合は、ユーザがＭＷＴ １６０を正しく配置させていないと、バリバリという連続雑音が与えられ、ＭＷＴ １６０が正しく配置されると、シューという音が与えられる。短アーク溶接プロセスの場合は、溶接技術が適正であれば、バリバリ又はパチパチという連続雑音が定常的に与えられ、アンダーカットが発生している場合には、シューという音が与えられてよい。これらの音は、適正又は不適正な溶接技術に対応する現実世界の音を模倣している。
本発明の様々な実施形態によれば、高忠実度の音コンテンツが、様々な電子的手段及び機械的手によって、実際の溶接の現実世界の録音から取得されてよい。本発明の一実施形態によれば、知覚される音の大きさ及び方向は、（ユーザが、ＳＴ １２０によって追跡されるＦＭＤＤ １４０を装着しているとすれば）ＭＷＴ １６０とＷＣ １８０との間の模擬アークを基準とする、ユーザの頭部の位置、方向、及び距離に応じて調節される。音は、例えば、ＦＭＤＤ １４０内のイヤスピーカ９１０を介して、或いは、コンソール１３５又はＴ／Ｓ １７０に構成されたスピーカを介して、ユーザに与えられてよい。
環境モデル１２０３は、バーチャルリアリティ空間に様々な背景シーン（静止画又は動画）を与える為に設けられる。そのような背景環境として、例えば、屋内の溶接ショップ、屋外のレース場、ガレージなどがあってよく、それらは、動いている自動車、人々、鳥、雲、及び様々な環境音を含んでよい。本発明の一実施形態によれば、背景環境はインタラクティブであってよい。例えば、ユーザは、溶接を開始する前に、環境が溶接に適切である（例えば、安全である）ことを確かめる為に、背景領域を調査しなければならない場合がある。トーチ及びクランプモデル１２０２が与えられ、これは、バーチャルリアリティ空間において、様々なＭＷＴ １６０をモデル化し、例えば、ガン、スティック電極付きホルダなどをモデル化する。
試片モデル１２１０が与えられ、これは、バーチャルリアリティ空間において、様々なＷＣ １８０をモデル化し、例えば、フラットプレート試片、Ｔ継手試片、突き合わせ継手、グルーブ溶接試片、パイプ試片（例えば、２インチ径のパイプと６インチ径のパイプ）などをモデル化する。スタンド／テーブルモデル１２０６が与えられ、これは、バーチャルリアリティ空間において、Ｔ／Ｓ １７０の様々な部品をモデル化し、例えば、調節可能テーブル１７１、スタンド１７２、調節可能アーム１７３、垂直ポスト１７４などをモデル化する。物理インタフェースモデル１２０１が与えられ、これは、バーチャルリアリティ空間において、溶接ユーザインタフェース１３０、コンソール１３５、及びＯＤＤ １５０の様々な部品をモデル化する。
本発明の一実施形態によれば、バーチャルリアリティ空間において溶接だまり（溶融池）の模擬が達成され、模擬される溶接だまりは、リアルタイム溶融金属流動性及び熱放散特性を有する。本発明の一実施形態によれば、溶接だまり模擬の中心に、ＧＰＵ １１５上で動作する溶接物理機能性１２１１（物理モデルとも呼ばれる）がある。溶接物理機能性は、ダブルディスプレイスメント層技術を用いて、動的流動性／粘性、固体性、熱勾配（熱の吸収及び放散）、たまりウェーク、及びビード形状を正確にモデル化する。
溶接物理機能性１２１１は、ビードレンダリング機能性１２１７と通信して、加熱された溶融状態から冷却された固化状態までのあらゆる状態での溶接ビードをレンダリングする。ビードレンダリング機能性１２１７は、溶接物理機能性１２１１からの情報（例えば、熱、流動性、ディスプレイスメント、１０セント硬貨間隔）を使用して、バーチャルリアリティ空間における溶接ビードを正確且つ実際的にリアルタイムでレンダリングする。３Ｄテクスチュア機能性１２１８は、ビードレンダリング機能性１２１７にテクスチャマッピングを渡して、追加テクスチャ（例えば、スコーチング、スラグ、グレーン）を模擬溶接ビードにオーバレイする。例えば、スラグは、溶接プロセスの途中及び直後には溶接ビードの上にレンダリングされ、その後、取り除かれて、下層の溶接ビードが現れるように示されてよい。レンダラ機能性１２１６は、火花、飛沫、煙、アークグロー、煙霧及びガス、並びに何らかの不連続（例えば、アンダーカットや多孔性など）を含む、特殊効果モジュール１２２２からの情報を使用して、様々な非たまり固有の特性をレンダリングする為に使用される。
内部物理調節ツール１２１２は、様々な溶接物理パラメータが様々な溶接プロセスに合わせて定義、更新、及び修正されることを可能にするトウィークツールである。本発明の一実施形態によれば、内部物理調節ツール１２１２は、ＣＰＵ １１１上で動作し、調節又は更新されたパラメータはＧＰＵ １１５にダウンロードされる。内部物理調節ツール１２１２で調節可能なパラメータのタイプとして、溶接試片に関連するパラメータ、溶接試片をリセットすることを必要とせずにプロセスの変更を可能にする（第２のパスの実行を可能にする）プロセスパラメータ、模擬全体をリセットすることなく変更可能な各種グローバルパラメータ、及び他の様々なパラメータがあってよい。
図１３は、図１のバーチャルリアリティ訓練システム１００を使用する訓練の方法１３００の一実施形態のフローチャートである。ステップ１３１０で、溶接手法に従って、溶接試片に対して模造溶接工具を動かす。ステップ１３２０で、バーチャルリアリティシステムを用い、３次元空間における模造溶接工具の位置及び方向を追跡する。ステップ１３３０で、模擬模造溶接工具が、放出する模擬アークの近傍に模擬溶接だまりを形成することにより、模擬溶接試片の少なくとも１つの模擬面に模擬溶接ビード材料を堆積させるように、バーチャルリアリティ空間における模造溶接工具及び溶接試片のリアルタイムバーチャルリアリティ模擬を示す、バーチャルリアリティ溶接システムのディスプレイを閲覧する。ステップ１３４０で、模擬溶接だまりのリアルタイム溶融金属流動性及び熱放散特性をディスプレイ上で閲覧する。ステップ１３５０で、模擬溶接だまりのリアルタイム溶融金属流動性及び熱放散特性の閲覧結果への対処として、溶接技術の少なくとも１つの態様をリアルタイムで修正する。
方法１３００は、バーチャルリアリティ空間における溶接だまりを閲覧し、リアルタイム溶融金属流動性（例えば、粘性）及び熱放散を含む、模擬溶接だまりの様々な特性の閲覧結果への対処として自分の溶接技術を修正することを、ユーザがいかにして行うことができるかを示す。ユーザは又、リアルタイムのたまりウェーク及び１０セント硬貨間隔を含む他の特性を閲覧し、これに対処してもよい。溶接だまりの特性を閲覧し、これに対処することは、現実世界で実際に行われているほとんどの溶接操作のやりかたと同じである。ＧＰＵ １１５上で動作する溶接物理機能性１２１１のダブルディスプレイスメント層モデル化は、そのようなリアルタイム溶融金属流動性及び熱放散特性が正確にモデル化されてユーザに対して表現されることを可能にする。例えば、固化時間（即ち、溶接画素を完全に固化するのにどれだけの時間がかかるか）は熱放散によって決まる。
更に、ユーザは、同じ又は別の（例えば、第２の）模造溶接工具及び／又は溶接プロセスを用いて、溶接ビード材料の上に第２のパスを実行してよい。そのような第２のパスのシナリオでは、模擬は、バーチャルリアリティ空間において、模擬模造溶接ツール、溶接試片、及びオリジナルの模擬溶接ビード材料を、模擬模造溶接工具が、放出する模擬アークの近傍に第２の模擬溶接だまりを形成することにより、第２の模擬溶接ビード材料を堆積させて第１の模擬溶接ビード材料と同化させるように示す。同じ又は別の溶接工具及び／又は溶接プロセスを用いる、更なる後続のパスが同様に実行されてよい。本発明の幾つかの実施形態によれば、任意の第２以降のパスでは、以前の溶接ビード材料は、以前の溶接ビード材料、新しい溶接ビード材料、及び場合によっては下層の試片材料のうちの任意のものの組み合わせから、新しい溶接だまりがバーチャルリアリティ空間に形成されるように、堆積中の新しい溶接ビード材料と同化する。そのような後続のパスは、例えば、以前のパスで形成された溶接ビードを修復するために行われる、大きなフィレット又はグルーブ溶接を行う場合に必要とされてよく、或いは、パイプ溶接の際に行われたルートパスの後の、ホットパス、及び１つ以上の充填して蓋をするパスを含んでよい。本発明の様々な実施形態によれば、溶接ビード及びベース材料は、軟鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケルベースの合金、又は他の材料であってよい。ここでも、様々なタイプの訓練生訓練データ（例えば、パラメータデータやスコア付けデータなど）が、ＶＲＡＷシステムに記憶されてよく、後で、本明細書において後述される習得管理システム（ＬＭＳ）に対して使用されてよい。他のタイプの訓練生訓練データも同様に記憶されてよく、例えば、訓練生を識別するデータなどが記憶されてよい。
習得管理システム（ＬＭＳ）
本明細書において上述されたとおり、溶接訓練生が、バーチャルリアリティ溶接システム上で、様々なタイプの溶接プロセス及び溶接試片について訓練を行うことが可能であり、その訓練に関連する訓練生訓練データが、バーチャルリアリティ溶接システム上で生成及び記憶されることが可能である。溶接訓練生に対するバーチャルリアリティ溶接訓練セッション（バーチャル溶接プロセス）の間に、膨大な量のデータが生成可能である。溶接指導者は、複数のクラスにおいて、訓練のレベルが様々である複数の訓練生を担当する場合、各訓練生の習熟度を追跡し、その訓練生に対して適切なフィードバックを行うことが非常に困難であることがわかるであろう。そこで、溶接指導者及び訓練生がバーチャルリアリティ溶接環境での指導及び習得に関連するデータを管理することを支援するシステム及び方法を提供することが望ましい。
訓練生がバーチャルリアリティ溶接システム上で実施できる溶接プロセスのタイプとして、例えば、シールドメタルアーク溶接プロセス、ガスメタルアーク溶接プロセス、フラックスコアアーク溶接プロセス、ガスタングステンアーク溶接プロセスなどがあってよい。訓練生がバーチャルリアリティ溶接システムを使用して習得できる溶接技能のタイプとして、例えば、システムを特定の溶接プロセス向けにセットアップする方法、溶接する金属を用意する方法、特定の溶接プロセスの間に溶接ガン／トーチを適正に保持する方法、特定の溶接プロセスの開始時にアークを生じさせる方法、特定の溶接プロセスの間に溶接電極を動かす方法、各種プレート溶接技能、各種パイプ溶接技能などがあってよい。他の様々な実施形態によれば、他のタイプの溶接プロセス及び技能も同様に可能である。
一実施形態によれば、訓練生がリアルタイム模擬バーチャルリアリティ溶接訓練環境において溶接の方法を習得していく際の訓練生の習熟度を追跡する習得管理システム（ＬＭＳ）が提供される。ＬＭＳは、１つ以上のバーチャルリアリティアーク溶接システムから訓練生訓練データを収集することと、訓練生訓練データを、整理された様式で集中データベースに格納することと、溶接指導者及び／又は溶接訓練生が、閲覧、分析、格付け、及び報告のうちの１つ以上の為に訓練生訓練データの少なくとも一部分にアクセスすることを可能にすることと、に備える。ＬＭＳは又、溶接指導者及び溶接訓練生を支援する為に、溶接のレッスン指導及び教材を提供してよい。
図１４は、バーチャルリアリティ溶接システム１４００の一実施形態を示す。バーチャルリアリティ溶接システム１４００は、図１のシステム１００とよく似ており、訓練生訓練データの１つ以上の電子ファイル１４２０を生成するように構成されている。一実施形態によれば、ＰＰＳ １１０は、バーチャルリアリティ溶接システム１４００上での訓練生のバーチャルリアリティ溶接習熟度を追跡し、訓練生の習熟度を表す訓練生訓練データの電子ファイル１４２０を生成する。例えば、訓練生訓練データは、バーチャル溶接プロセスの間に溶接訓練生によって影響される、コンタクトチップから工作物までの距離、溶接角度、移動角度、及び移動速度などのパラメータに関連する情報を含んでよい。訓練生訓練データは又、各パラメータが、特定の公差の範囲内に対してどれだけ近かったか、或いは、バーチャルリアリティ溶接システムにロードされた溶接施工要領書（ＷＰＳ）で定義された特定の基準を満たすまでどれだけ近かったか、に基づくスコアを含んでよい。電子ファイル１４２０は、例えば、Ｅｘｃｅｌ（．ｘｌｓ）ファイル又はカンマ区切り値（．ｃｓｖ）ファイルであってよい。
一実施形態によれば、各訓練生の訓練生訓練データは又、溶接訓練生の名前、溶接訓練生が実施したバーチャル溶接プロセスの日時、バーチャル溶接プロセスの間に使用されたデフォルト公差、溶接施工要領書（ＷＰＳ）に基づく技術パラメータスコア、溶接パス番号及びパス当たりの溶接スコア、溶接スコアパスの平均、全スコア、使用された溶接プロセス及び技術、継手の構成及び位置、不連続及びパーセント、継手構成当たりの完了した溶接の数、投資利益報告用データ、訓練生のアーク時間、訓練生の材料使用量、訓練生の模擬訓練装置時間、任意のバーチャルリアリティ破壊検査（例えば、曲げ試験）の結果などを含んでよい。
一実施形態によれば、バーチャルリアリティ溶接システム１４００は、訓練生訓練データを他の何らかの外部宛先に送信する為に使用される通信装置１４１０を含む。通信装置１４１０は、バーチャルリアリティ溶接システム１４００のプログラマブルプロセッサベースのサブシステム１１０に作用的に接続され、データをデジタル通信方式で外部に送信する為の全ての回路及びソフトウェアを備える。例えば、通信装置１４１０は、有線又は無線でのインターネットとの接続を提供するモデム装置であってよい。他の実施形態では、通信装置は、例えば、ＷｉＦｉ通信の回路及びソフトウェア、３Ｇ又は４Ｇ通信の回路及びソフトウェア、或いはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）の回路及びソフトウェアであってよい。更に別の実施形態によれば、他のタイプの通信装置も同様に可能である。
図１５は、タブレット装置１５００として構成されたパーソナルコンピュータの一実施形態を示す。タブレット装置１５００は、溶接指導者又は溶接訓練生が、閲覧、分析、格付け、及び報告のうちの１つ以上の為に訓練生訓練データにアクセスする為に使用してよい。タブレット装置１５００は、ディスプレイと、無線及び／又は有線の通信手段と、少なくとも習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）を記憶するコンピュータメモリと、を含む。タブレット装置１５００は又、ＬＭＳＡのコード化命令を実行するように作用的な処理手段を含む。
図１６は、図１５のタブレット装置１５００の一例示的実施形態の概略ブロック図を示す。タブレット装置１５００は、無線通信装置１５１０を含む。無線通信装置は、例えば、ＶＲＡＷシステム１４００及び／又は外部通信インフラストラクチャ（例えば、インターネット）へのアクセスを提供するＷｉＦｉ通信の回路及びソフトウェア、及び／又は３Ｇ又は４Ｇ通信の回路及びソフトウェアを含んでよい。タブレット装置１５００は又、ディスプレイ１５２０、プロセッサ１５３０、及びコンピュータメモリ１５４０を含む。一実施形態によれば、ディスプレイ１５２０はタッチスクリーンディスプレイであってよい。プロセッサ１５３０は、例えば、プログラマブルマイクロプロセッサであってよいが、他のタイプの論理プロセッサも同様に可能である。コンピュータメモリ１５４０は、例えば、電子メモリであってよく、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）との組み合わせなどであってよい。他の様々な実施形態によれば、他のタイプのコンピュータメモリも同様に可能であってよい。
コンピュータメモリ１５４０は、少なくとも、コード化命令を有する習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）１５４５を記憶し、これらのコード化命令は、プロセッサ１５３０上で実行されることにより、溶接訓練生の習熟度を追跡し、溶接指導者及び訓練生がバーチャルリアリティ溶接環境での指導及び習得に関連するデータを管理することを支援することが可能である。一実施形態によれば、バーチャルリアリティ溶接システム１４００は、バーチャルリアリティ溶接システム１４００に記憶されている訓練生訓練データを取り出す為に、無線通信装置１５１０を介してアクセスされてよい。訓練生訓練データは、例えば１つ以上の電子ファイルの形式で、バーチャルリアリティ溶接システム１４００に記憶されてよい。溶接訓練生（ユーザ）がバーチャルリアリティ溶接システム１４００上で練習を行うと、システム１４００は訓練生訓練データを記録する。訓練生訓練データは、例えば、訓練生を識別するデータ、訓練生がバーチャルリアリティ溶接システム１４００上で実施した溶接プロセスのタイプを識別する情報、溶接プロセスごとのユーザのパフォーマンスに関連する情報などを含んでよい。
図１７は、習得管理システム（ＬＭＳ）の一実施形態１７００の概略ブロック図を示す。ＬＭＳ １７００は、バーチャルリアリティ溶接システム１４００と、ＬＭＳＡ １５４５を有するパーソナルコンピュータ（例えば、タブレット装置）１５００と、外部通信インフラストラクチャ（ＥＣＩ）１７１０と、サーバコンピュータ１７２０と、データベース１７３０と、を含む。サーバコンピュータ１７２０及びデータベース１７３０は、データベースサーバシステムを構成する。外部通信インフラストラクチャ１７１０には、例えば、インターネット、携帯電話通信網、ＷｉＦｉ通信網、又は衛星通信網のうちの１つ以上が含まれてよい。他の様々な実施形態によれば、他のタイプの外部通信インフラストラクチャも同様に可能であってよい。一実施形態によれば、サーバコンピュータ１７２０及びデータベース１７３０は「クラウド内に」位置してよい。他の実施形態では、サーバコンピュータ及びデータベースはローカルであってよく（例えば、バーチャルリアリティ溶接システムの近くにあってよく）、ＥＣＩは、外部通信インフラストラクチャではなくローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）であってよい。
訓練生訓練データ１４２０は、バーチャル溶接訓練プロセスの間にバーチャルリアリティ溶接システム１４００において生成及び記憶される。一実施形態によれば、ＰＰＳ １１０は、訓練生訓練データ１４２０を記憶するコンピュータメモリを備える。ここでも、訓練生訓練データ１４２０は、例えば、訓練生がバーチャルリアリティ溶接システム１４００上で実施した溶接プロセスのタイプを識別する情報を、溶接プロセスごとの訓練生のパフォーマンスに関連する情報とともに含んでよい。
一実施形態によれば、訓練生訓練データは、通信装置１４１０及び無線通信装置１５１０を介して、無線方式で、バーチャルリアリティ溶接システム１４００からタブレット装置１５００にダウンロードされてよい。一代替実施形態によれば、無線通信装置１５１０は、有線通信装置（例えば、ＵＳＢ装置）であってよく、訓練生訓練データは、通信装置１４１０及び１５１０を介して、有線方式で、バーチャルリアリティ溶接システム１４００からタブレット装置１５００にダウンロードされてよい。更に別の実施形態では、訓練生訓練データは、バーチャルリアリティ溶接システムからコンピュータディスク又はコンピュータフラッシュドライブにコピーされてよく、ディスク又はフラッシュドライブからパーソナルコンピュータ１５００に転送されてよい。そのような実施形態では、バーチャルリアリティ溶接システム及びパーソナルコンピュータは、ディスクドライブ又はフラッシュドライブポートを含む。
タブレット装置１５００上のＬＭＳＡ １５４５は、溶接指導者が訓練生訓練データの閲覧及び分析、訓練生の格付け、及び報告（例えば、訓練生報告カード）の生成を行う為に使用してよい。追跡可能な報告が生成されてよく、これらの報告は、例えば、訓練生のパフォーマンスを互いに比較するか、クラス単位のパフォーマンスを互いに比較するか、今年の訓練生のパフォーマンスを去年の訓練生のパフォーマンスと比較するものである。ＬＭＳＡは、訓練生がどのように溶接を実施しているかを調べ、訓練生が習得に苦労している技能がないかどうかを識別する分析ツールを備える。ＬＭＳＡは、訓練生のパフォーマンスの概要を、読み取りやすく理解しやすい表、チャート、及びグラフの形式で示す。指導者は、訓練生のパフォーマンスの概要を示す様々な表、チャート、及びグラフをタブレット装置のディスプレイで閲覧することにより、個々の訓練生と対面して、訓練生のパフォーマンスをレビューすることが可能である。
バーチャルリアリティ溶接システム、タブレット装置、及びサーバコンピュータの間でのデータの転送は、様々な方式で行われてよい。一実施形態によれば、溶接指導者は、生の訓練生訓練データ、分析結果、及び報告を、タブレット装置１５００からＥＣＩ １７１０を介してサーバコンピュータ１７２０にアップロードして、データベース１７３０に格納してよい。一実施形態によれば、訓練生訓練データは、自動的に、バーチャルリアリティ溶接システム１４００からＥＣＩ １７１０を介してサーバコンピュータ１７２０にアップロードされて、データベース１７３０に格納されてよい。一実施形態によれば、訓練生訓練データは、データベース１７３０からサーバコンピュータ１７２０及びＥＣＩ １７１０を介してタブレット装置１５００にダウンロードされてよい。例えば、溶接指導者は、１つのクラス、又は２つ以上のクラスの全ての訓練生の訓練生訓練データをダウンロードし、データを分析し、比較を行ってよい。
一実施形態によれば、タブレット装置１５００で動作するＬＭＳＡ １５４５は、溶接指導者の命令により、訓練生のバーチャル溶接習熟度の概要報告を生成する。訓練生のバーチャル溶接習熟度の概要報告は、例えば、バーチャルリアリティ溶接システム１４００の訓練生についての平均パフォーマンス情報、又は統合パフォーマンス情報を含んでよい。例えば、訓練生が特定のバーチャル溶接プロセスの間にバーチャルリアリティ溶接システム１４００の模造溶接工具をどのように保持したか、の平均ピッチ角度が、ＬＭＳＡ １５４５によって生成され、概要報告の一部として表示されてよい。更に、ユーザが特定のバーチャル溶接プロセスの間に模造溶接工具をどのように保持したか、のピッチ角度対ロール角度の統合提示が、ＬＭＳＡ １５４５によって生成され、概要報告の一部として表示されてよい。
訓練生のバーチャル溶接習熟度の概要報告は又、訓練生に関連付けられたパフォーマンスパラメータが時間に対してどのように変化したか（例えば、向上したか）を示すグラフィカル情報を含んでよい。例えば、特定の溶接プロセスの、訓練生によって実施された連続する複数の溶接活動に対する模造溶接工具の平均移動速度のグラフが、ＬＭＳＡ １５４５によって生成され、概要報告の一部として表示されてよい。このグラフは、特定の溶接プロセスの、連続する複数の（例えば、２０回の）溶接活動の流れの間に平均移動速度が最初は速すぎと遅すぎの間で変動するものの最終的には所望の移動速度に落ち着く様子を示すことが可能であり、従って、訓練生がバーチャルリアリティ溶接システム１４００の模造溶接工具に適正な移動速度を適用するところに落ち着くまでにどれだけの時間がかかるかを示すことが可能である。
一実施形態によれば、訓練生訓練データへのアクセスは、１つ以上のバーチャルリアリティ溶接システムに関連付けられた、１人の訓練生に関してであっても、複数の訓練生に関してであってもよい。例えば、溶接指導者は、タブレット装置１５００を使用して、データベース１７３０にある、複数のバーチャルリアリティ溶接システム１４００にわたる、担当の溶接訓練生の全員についての訓練生訓練データにアクセスしてよい。タブレット装置１５００上のＬＭＳＡ １５４５は、各溶接訓練生についての概要報告を作成してよく、又、溶接訓練生全員の習熟度を、例えば、比較形式で（例えば、クラス内での溶接訓練生の順位付けにより）示す統合概要報告も作成してよい。
図１８は、ＬＭＳＡの指導者ホームページのスクリーンショットの一実施形態を示す。溶接指導者は、ログインすることにより、自分が担当している様々な訓練生及びクラスに関連する情報を閲覧することが可能である。指導者ホームページからは、指導者は、本明細書に記載されたような、データのダウンロード及びアップロードを含む、様々な機能を実施するようにナビゲート可能である。指導者は又、レッスン計画を閲覧し、必要に応じて、これらのレッスン計画を更新することも可能である。
一実施形態によれば、ＬＭＳＡは、個人化された報告、クラスの数及びクラス名の入力、投資利益計算の為の材料のコスト情報の入力、診断ツール、ダウンロードされたデータの確認、及びデータのバックアップ機能を提供する、簡単なセットアップウィザードを提供する。報告は、例えば、データベースにアップロードされてよく、或いは、他の指導者又は訓練生に電子メール送信されてよい。
ＬＭＳＡが提供する他の機能として、格付けされた継手構成をリストから選択してクラスの格付け帳を作成する機能、バーチャルリアリティ溶接システムから直接流されたり導出されたりしない他のプロジェクト／アサインメントをデータ操作（例えば、ラボ作業スコア、プレ教室訓練、他のアサインメント）の為に入力する機能、データに値付けを適用してコスト節約を判定すること、訓練生データをクラス／期間／シフト別に編成すること、２つの実習又は時点の間の訓練生の上達度を測定すること、グループ全体での訓練生の上達度を平均すること、指導者によって入力されたカットオフスコアに基づいて合格／不合格の通知を生成すること、訓練生の情報の概要を生成すること、溶接訓練生に関する報告にパフォーマンスコメントを追加する機能、カテゴリ別に分析を実施すること（分析は平均スコア、高スコア、低スコア、順位、カテゴリは全て、継手構成、プロセス、クラス、データ範囲、パス）、格付け尺度を定義及び入力する機能、報告カードを生成し、報告カードに含めるアイテム又は報告カードから排除するアイテムを選択する機能、印刷可能な報告を生成する機能（訓練生ー報告カード生成者別、クラス別、時間枠別、指導者が書くコメント／概要の領域を含む）、訓練生の出席状況を追跡する機能、パフォーマンス変数の分析を実施すること（グラフ／チャートを含む）、最終クラス結果をデータベースサーバシステムにアーカイブする機能、溶接訓練生が様々な溶接実習を決められたレベルまで実施すること（例えば、２Ｇ位置にある６インチのＳｃｈ４０パイプに対するルート曲げ試験及び表曲げ試験にパスすること）により獲得するバーチャル認定を作成及び追跡することなどがある。
図１９は、ＬＭＳＡの訓練生ホームページのスクリーンショットの一実施形態を示す。溶接訓練生は、ログインすることにより、訓練生のレッスン及びパフォーマンスに関連する情報を閲覧することが可能である。訓練生ホームページからは、溶接訓練生は、訓練生データのアップロード、指導者への連絡、並びにレッスン及びパフォーマンスの復習を含む、様々な機能を実施するようにナビゲート可能である。
一実施形態によれば、（現実世界の溶接機械で生成された）現実世界の溶接データが、（バーチャルリアリティ溶接システムで生成された）訓練生訓練データとともに、同じ訓練生によって、タブレット装置１５００にダウンロードされてよい。ＬＭＳＡ １５４５を使用して、訓練生について、現実世界の溶接データと訓練生訓練データとの比較分析を行うことが可能であり、これによって、バーチャル溶接環境から現実世界の溶接環境に移行する際の訓練生の習熟度を判定することが可能である。現実世界の溶接データと、対応する訓練生訓練データとが突き合わされて、比較される。このように、溶接訓練校を経ての訓練生の習熟度を、バーチャル溶接から現実世界の溶接にかけて追跡及び評価することが可能である。
まとめると、訓練生がリアルタイム模擬バーチャルリアリティ溶接訓練環境において溶接の方法を習得していく際の訓練生の習熟度を追跡する習得管理システムが提供される。溶接指導者及び訓練生がバーチャルリアリティ溶接環境での指導及び習得に関連するデータを管理することを支援するシステム及び方法が提供される。バーチャルリアリティ溶接システムの使用中に訓練生によって生成される溶接訓練生訓練データが、そのシステムの集中データベースに格納される。集中データベースには、ユーザ（例えば、溶接指導者）が、習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）がインストールされたパーソナルコンピュータを使用してアクセスすることが可能である。ＬＭＳＡは、ユーザが、閲覧、分析、格付け、及び報告のうちの１つ以上を行う為に、訓練生訓練データの少なくとも一部分にアクセスすることを可能にするように構成されている。
本明細書に記載の実施形態は上述のシステム及び方法に関連付けられてきたが、これらの実施形態は、例示的であることを意図されており、これらの実施形態の適用可能性を、本明細書に記載されたそれらの説明内容のみに限定することは意図されていない。本明細書に記載の制御システム及び方法は、上述の発明の範囲の趣旨から逸脱しない限り、アーク溶接、レーザ溶接、ろう付け、はんだ付け、プラズマ切断、ウォータジェット切断、レーザ切断に関連するシステム及び方法、並びに他の任意の、同様の制御方法を用いるシステム及び方法にも同様に適用可能であり、それらにおいて利用されてよい。本明細書に記載の実施形態及び説明は、当業者であれば、これらのシステム及び方法の何れにも容易に組み込むことが可能である。
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば理解されるように、本発明の範囲から逸脱しない限り、様々な変更が行われてよく、様々な等価物との置き換えが行われてよい。更に、本発明の範囲から逸脱しない限り、特定の状況又は材料を本発明の教示に適応させる為に様々な修正が行われてよい。従って、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に含まれるあらゆる実施形態を包含するものとする。
１００ システム
１１０ プロセッサベースのサブシステム
１１１ 中央処理ユニット
１１５ グラフィックス処理ユニット
１１６ 計算統合デバイスアーキテクチャ
１１７ シェーダ
１１８ 映像出力
１１９ 映像出力
１２０ 空間追跡装置
１２１ 磁気ソース
１２２ 少なくとも１つのセンサ
１２３ ディスク
１２４ 電源
１２５ ケーブル
１２６ 追跡ユニット
１３０ 溶接ユーザインタフェース
１３３ ノブ
１３５ コンソール
１３７ ノブ
１４０ 顔面装着式ディスプレイ装置
１５０ 監視者ディスプレイ装置
１５１ 溶接パラメータ
１５２ 溶接の不連続状態
１５３ ユーザ選択肢
１６０ 模造溶接工具
１６１ ホルダ
１６２ スティック電極
１６３ 触覚抵抗性チップ
１７０ テーブル／スタンド
１７１ テーブル
１７２ スタンド
１７３ アーム
１７４ 垂直ポスト
１７５ 溶接試片
１７５’ 径パイプ
１７５’’ 径パイプ
１７６ 根元
１８０ 溶接試片
９００ 溶接ヘルメット
９１０ イヤスピーカ
１２０１ 物理インタフェース
１２０２ トーチ及びクランプモデル
１２０３ 環境モデル
１２０４ 音コンテンツ機能性
１２０５ 溶接音
１２０６ スタンド／テーブルモデル
１２０７ 内部アーキテクチャ機能性
１２０８ 較正機能性
１２１０ 試片モデル
１２１１ 溶接物理
１２１２ 内部物理調節ツール（トウィーク（ｔｗｅａｋｅｒ））
１２１３ グラフィカルユーザインタフェース機能性
１２１４ グラフ表示機能性
１２１５ 訓練生報告機能性
１２１６ レンダラ
１２１７ レンダラ
１２１８ ３Ｄテクスチャ
１２１９ 視覚キュー機能性
１２２０ スコア付け及び公差機能性
１２２１ 公差エディタ
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 溶接システム
１４１０ 通信装置
１４２０ 電子ファイル
１５００ タブレット装置
１５１０ 無線通信装置
１５２０ ディスプレイ
１５３０ プロセッサ
１５４０ コンピュータメモリ
１５４５ ソフトウェアアプリケーション
１７００ 習得管理システム
１７１０ 外部通信インフラストラクチャ
１７２０ サーバコンピュータ
１７３０ データベース

Claims (15)

  1. 少なくとも１人の訓練生が少なくとも１つのバーチャルリアリティ溶接システム（１４００）上で少なくとも１つのバーチャル溶接プロセスを実施することに対する応答として訓練生訓練データを生成するように構成された前記少なくとも１つのバーチャルリアリティ溶接システム（１４００）を備える習得管理システム（１００）において、
    前記訓練生訓練データを受け取って格納するように構成されたデータベースサーバシステムと、
    習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）がインストールされたパーソナルコンピュータとを備え、
    前記習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）は、前記パーソナルコンピュータ上で実行されて、
    有線方式又は無線方式のうちの少なくとも一方で、前記訓練生訓練データを前記少なくとも１つのバーチャルリアリティ溶接システム（１４００）から前記パーソナルコンピュータにダウンロードすることと、
    前記訓練生訓練データ、分析結果、及び報告を、前記パーソナルコンピュータから、外部通信インフラストラクチャ（１７１０）を介して、前記データベースサーバシステムにアップロードすることと、
    前記訓練生訓練データを前記データベースサーバシステムから、外部通信インフラストラクチャを介して、前記パーソナルコンピュータにダウンロードすることと、
    のうちの１つ以上を実施するように構成された実行可能なコンピュータ命令を含むことを特徴とする習得管理システム（１００）。
  2. 請求項１に記載の習得管理システムにおいて、好ましくはインターネット、携帯電話通信網、ＷｉＦｉ通信網、又は衛星通信網のうちの１つ以上を含む外部通信インフラストラクチャ（１７１０）を更に備えることを特徴とする習得管理システム。
  3. 請求項１又は２に記載の習得管理システムにおいて、前記習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）は更に、前記パーソナルコンピュータ上で実行されて、前記訓練生訓練データを分析し、前記分析結果及び前記報告を生成するように構成された実行可能なコンピュータ命令を含むことを特徴とする習得管理システム。
  4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の習得管理システムにおいて、前記習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）は更に、前記訓練生訓練データの少なくとも一部分に基づいて、少なくとも１人の溶接訓練生に対して少なくとも１つの格付けを生成するように構成された実行可能なコンピュータ命令を含むことを特徴とする習得管理システム。
  5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の習得管理システムにおいて、前記習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）は更に、前記訓練生訓練データの少なくとも一部分に基づいて、溶接訓練生が習得に苦労している溶接技能がないかどうかを識別するように構成された実行可能なコンピュータ命令を含むことを特徴とする習得管理システム。
  6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の習得管理システムにおいて、前記習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）は更に、前記訓練生訓練データの少なくとも一部分に基づいて、２人以上の溶接訓練生の溶接パフォーマンスを比較するように構成された実行可能なコンピュータ命令を含むことを特徴とする習得管理システム。
  7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の習得管理システムにおいて、前記習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）は、溶接訓練生及び溶接指導者のうちの１人以上に溶接のレッスン指導及び教材を提供することを特徴とする習得管理システム。
  8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の習得管理システムにおいて、前記訓練生訓練データは、バーチャル溶接プロセスの間に溶接訓練生によって影響される、コンタクトチップから工作物までの距離、溶接角度、移動角度、及び移動速度のうちの少なくとも１つを含む溶接パラメータに関連する情報を含むことを特徴とする習得管理システム。
  9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の習得管理システムにおいて、前記訓練生訓練データは、溶接訓練生の名前、溶接訓練生が実施したバーチャル溶接プロセスの日時、バーチャル溶接プロセスの間に使用されたデフォルト公差、溶接施工要領書（ＷＰＳ）に基づく技術パラメータスコア、溶接パス番号及びパス当たりの溶接スコア、溶接スコアパスの平均、全スコア、使用された溶接プロセス及び技術、継手の構成及び位置、不連続及びパーセント、継手構成当たりの完了した溶接の数、投資利益報告用データ、訓練生のアーク時間、訓練生の材料使用量、訓練生の模擬訓練装置時間、及びバーチャルリアリティ破壊検査の結果のうちの少なくとも１つに関連する情報を含むことを特徴とする習得管理システム。
  10. 習得管理ソフトウェアアプリケーション（ＬＭＳＡ）がインストールされたパーソナルコンピュータを使用してデータベースサーバシステムにアクセスするステップと、
    前記ＬＭＳＡを使用して、訓練生訓練データを前記データベースサーバシステムから前記パーソナルコンピュータにダウンロードするステップであって、前記訓練生訓練データは、１つ以上のバーチャルリアリティ溶接システム上で実施された１つ以上のバーチャル溶接プロセスから導出される、前記ステップと、
    前記ＬＭＳＡを使用して前記訓練生訓練データを分析して、前記訓練生訓練データに関連付けられた１人以上の溶接訓練生の溶接パフォーマンスを判定するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  11. 請求項１０に記載の方法において、前記ＬＭＳＡを使用して、格付けされた継手構成をリストから選択してクラスの格付け帳を作成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
  12. 請求項１０又は１１に記載の方法において、
    前記ＬＭＳＡを使用して、バーチャルリアリティ溶接システムから直接導出されない溶接のプロジェクト及びアサインメントをデータ操作の為に入力するステップを更に含むか、且つ／又は、
    前記ＬＭＳＡを使用して、データに値付けを適用してコスト節約を判定するステップを更に含むか、且つ／又は、
    前記ＬＭＳＡを使用して、訓練生データをクラス別、期間別、又はシフト別のうちの１つ以上で編成するステップを更に含むか、且つ／又は、
    前記ＬＭＳＡを使用して、２つの溶接実習又は時点の間の訓練生の上達度を測定するステップを更に含むか、且つ／又は、
    前記ＬＭＳＡを使用して、溶接指導者によって入力されたカットオフスコアに基づいて合格／不合格の通知を生成するステップを更に含むか、且つ／又は、
    前記ＬＭＳＡを使用して、溶接訓練生に関する報告にパフォーマンスコメントを追加するステップを更に含むことを特徴とする方法。
  13. 請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の方法において、
    前記ＬＭＳＡを使用して、溶接訓練生について、報告カードを生成し、前記報告カードに含めるアイテム又は前記報告カードから排除するアイテムを選択するステップを更に含むか、且つ／又は、
    前記ＬＭＳＡを使用して、溶接訓練生別、溶接クラス別、又は時間枠別のうちの１つ以上で印刷可能な報告を生成するステップを更に含むことを特徴とする方法。
  14. 請求項１０乃至１３の何れか１項に記載の方法において、
    前記ＬＭＳＡを使用して、最終溶接クラス結果を前記データベースサーバシステムにアーカイブするステップを更に含むか、且つ／又は、
    前記ＬＭＳＡを使用して、溶接訓練生が溶接実習を決められたレベルまで実施することにより獲得するバーチャル認定を作成及び追跡するステップを更に含むことを特徴とする方法。
  15. 請求項１０乃至１４の何れか１項に記載の方法において、
    前記ＬＭＳＡを使用して、第１の溶接訓練生が現実世界の溶接機械を使用して実施した現実世界の溶接プロセスの間に生成された現実世界の溶接データを入力するステップと、
    前記ＬＭＳＡを使用して、前記現実世界の溶接データを、前記第１の溶接訓練生に関連付けられた前記訓練生訓練データの少なくとも一部分と比較するステップと、
    を更に含むことを特徴とする方法。
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