KR101980500B1 - 가상 현실 파이프 용접 시뮬레이터 및 셋업 - Google Patents

Abstract

시뮬레이터는 오비탈 용접 조인트들의 가상 용접 활동을 용이하게 한다. 시뮬레이터는 적어도 하나의 가상 용접 조인트(virtual weld joint)를 갖는 가상 파이프의 섹션 상에서 용접 셋업(welding setup) 및 활동을 에뮬레이팅하는 상호작용식 용접 환경을 생성하기 위해 코딩된 명령들을 실행하도록 동작 가능한 로직 프로세서 기반 시스템을 포함할 수 있다. 시뮬레이터는 또한 로직 프로세서 기반 시스템에 동작 가능하게 연결되고 상호작용식 용접 환경을 시각적으로 묘사하기 위한 디스플레이를 포함하며, 이 디스플레이는 가상 파이프의 섹션을 묘사한다. 적어도 하나의 용접 조인트 상에서 용접 장비 셋업 및 가상 용접 활동을 실시간으로 수행하기 위한 펜던트가 제공되며, 여기서 하나 이상의 센서들은 로직 프로세서 기반 시스템으로 입력 디바이스의 이동에 관한 데이터를 전달하기 위해 실시간으로 입력 디바이스의 이동을 트래킹하도록 적응된다.

Description

가상 현실 파이프 용접 시뮬레이터 및 셋업{VIRTUAL REALITY PIPE WELDING SIMULATOR AND SETUP}

본 특허 출원은 2012년 7월 10일 출원된 미국 가특허 출원 번호 제61/669,713호를 우선권으로 주장하며, 상기 출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.

본 발명은 가상 용접 환경을 에뮬레이팅(emulating)하기 위한 시스템들에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 파이프(pipe) 및 개방 루트 조인트(open root joint)들의 실시간 용접 및 그 셋업을 에뮬레이팅하는 가상 용접 환경들에 관한 것이다.

수십년 동안, 기업체들은 용접 기술들을 학습시켜 왔다. 종래에, 용접은 현실 셋팅(real world setting)에서 학습되어 왔는데, 즉, 용접은 전극으로 금속 조각 상에 아크(arc)를 일으키게 함으로써 학습되어 왔다. 훈련생이 용접을 수행할 때 몇몇 경우들에 수정을 해주는 당 분야에 숙련된 강사들은 트레이닝 프로세스를 감독한다. 지시와 반복에 의해, 신입 훈련생은 하나 이상의 프로세스들을 이용하여 어떻게 용접하는지를 학습한다. 그러나, 매 용접이 수행될 때마다 비용이 발생하며, 또한 이러한 비용은 학습중에 있는 용접 프로세스에 따라 달라진다.

보다 최근에, 용접공들을 트레이닝하기 위한 비용 절감 시스템들이 이용되어 왔다. 몇몇 시스템들은 움직임 분석기를 포함한다. 움직임 분석기는 용접물의 물리적 모델, 모의 전극 및 모의 전극의 이동을 트래킹하는 감지 수단을 포함한다. 전극 팁(tip)이 수락 가능한 움직임의 범위 외부에서 어느 정도로 이동했는지를 표시하는 리포트가 생성된다. 보다 진보된 시스템들은 가상 세팅에서 모의 전극의 조작을 시뮬레이트하는 가상 현실의 이용을 포함한다. 유사하게, 이들 시스템들은 위치 및 배향을 트래킹한다. 이러한 시스템들은 단지 생체 기억(muscle memory)만을 가르치며, 숙련된 용접공이 요구되는 보다 진보된 용접 기술을 가르칠 수 없다.

본 발명의 실시예들은 가상 용접 활동을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터에 관한 것이며, 이 시뮬레이터는 적어도 하나의 가상 용접 조인트(virtual weld joint)를 갖는 가상 파이프의 섹션 상에서 용접 셋업(welding setup) 및 활동을 에뮬레이팅하는 상호작용식 오비탈 용접 환경(interactive orbital welding environment)을 생성하기 위해 코딩된 명령들을 실행하도록 동작 가능한 로직 프로세서 기반 서브시스템; 로직 프로세서 기반 서브시스템에 동작 가능하게 연결되고 상호작용식 용접 환경을 시각적으로 묘사하기 위한 디스플레이 수단으로서, 상기 디스플레이 수단은 가상 파이프의 섹션을 묘사하는 것인, 상기 디스플레이 수단; 적어도 하나의 가상 용접 조인트 상에서 셋업 및 가상 용접 활동을 실시간으로 수행하기 위한 펜던트 또는 핸드헬드 입력 디바이스; 및 로직 프로세서 기반 서브시스템으로 입력 디바이스의 이동에 관한 데이터를 전달하기 위해 실시간으로 입력 디바이스의 이동을 트래킹하도록 적응된 하나 이상의 센서들을 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)한다. 입력 디바이스는 가상 현실 용접을 위한 입력 선택을 위한 제어들을 에뮬레이팅할 것이다. 로직 프로세서 기반 서브시스템은 추가로 학습 목적들을 강화하기 위해 사용자에 기초하여 상호작용들 또는 제어들을 제한하는 것을 포함할 수 있다. 로직 프로세서 기반 서브시스템은 선택적으로, 사용자가 오비탈 용접 환경을 적절히 셋업할 수 있거나 에러 복구를 달성할 수 있다는 것을 보장하기 위해 시각적, 청각적, 물리적 변경들에 기초한 교육 상호작용 또는 반응들을 포함할 수 있다. 로직 프로세서 기반 서브시스템은 종종 입력을 허용하고 입력된 값들에 기초하여 출력을 제공하는 가상 계산기들 또는 테이블들을 포함할 것이다. 로직 프로세서 기반 서브시스템은 또한 올바르지 않은 셋업 파라미터들 또는 파라미터들의 조합에 기초한 지능형 에이전트 가능 결과들을 포함할 수 있다.

로직 프로세서 기반 서브시스템은 또한 사용자에 의해 입력되어야 하는 적절한 셋업 파라미터들 또는 파라미터들의 조합을 식별하기 위한 지능형 에이전트 가능 입력을 포함할 수 있다. 시뮬레이터는 또한 셋업 파라미터들 또는 파라미터들의 조합의 시각적, 청각적, 또는 물리적 표시자들을 포함할 수 있다. 카메라 기반 시스템은 선택적으로 오비탈 용접의 경로를 트래킹하도록 부가될 수 있다. 카메라 시스템은 퍼지 로직 제어기 기반 시스템(fuzzy logic controller-based system)에 기초한 경로 팔로잉(path-following) 및 경로 결정 시스템들을 포함할 수 있다. 시뮬레이터의 로직 프로세서 기반 서브시스템은 사용자의 다수의 레벨들(각각의 레벨은 사용자의 숙련도, 학습 속도 및 학습 스타일에 대해 적응됨) 및 문제들로부터 검출, 보정 및 복구하는 사용자의 능력을 테스트하기 위해 인공 지능 기반 결함 명령을 포함할 수 있다. 다언어 능력들은 또한 본 발명의 선택적인 양상이다. 본 발명의 추가의 실시예들 및 피처들은 이어지는 상세한 설명, 청구항들 및 도면들에서 주어진다.

도 1은 시뮬레이터로 가상 용접 활동에 참여하는 최종 사용자 운용자의 사시도이다.
도 2는 시뮬레이터의 전면도이다.
도 3a는 파이프 용접 위치들을 보여주는 차트이다.
도 3b는 플레이트 용접 위치들을 보여주는 차트이다.
도 4는 시뮬레이터의 표현의 예시적인 개략적 블록도이다.
도 5는 모의 용접 툴의 측면 사시도이다.
도 6은 용접 사용자 인터페이스의 상세도이다.
도 6a는 관찰자 디스플레이 디바이스의 상세도이다.
도 7a는 개인 디스플레이 디바이스의 사시도이다.
도 7b는 최종 사용자에 의해 착용되는 개인 디스플레이 디바이스의 사시도이다.
도 7c는 용접 헬멧에 장착되는 개인 디스플레이 디바이스의 사시도이다.
도 8은 공간 트래커의 사시도이다.
도 9는 용접 쿠폰들을 홀딩(holding)하기 위한 스탠드의 사시도이다.
도 9a는 파이프 용접 쿠폰의 사시도이다.
도 9b는 스탠드 내에 장착되는 파이프 용접 쿠폰의 사시도이다.
도 10은 로직 프로세서 기반 서브시스템의 서브시스템 블록도의 예시적인 실시예를 예시한다.
도 11은 로직 프로세서 기반 서브시스템의 그래픽 처리 장치(GPU)의 블록도의 예시적인 실시예를 예시한다.
도 12는 시뮬레이터의 기능적 블록도의 예시적인 실시예를 예시한다.
도 13은 가상 현실 트레이닝 시스템을 이용한 트레이닝의 방법의 실시예의 흐름도이다.
도 14a 내지 도 14b는 용접 픽셀(웩셀) 변위 맵의 개념을 예시한다.
도 15는 시뮬레이터에서 시뮬레이트되는 평탄한 용접 쿠폰의 쿠폰 공간 및 용접 공간의 예시적인 실시예를 예시한다.
도 16은 시뮬레이터에서 시뮬레이트되는 코너 용접 쿠폰의 쿠폰 공간 및 용접 공간의 예시적인 실시예를 예시한다.
도 17은 시뮬레이터에서 시뮬레이트되는 파이프 용접 쿠폰의 쿠폰 공간 및 용접 공간의 예시적인 실시예를 예시한다.
도 18은 파이프 용접 쿠폰의 예시적인 실시예를 예시한다.
도 19a 내지 도 19c는 시뮬레이터의 이중 변위 퍼들(puddle) 모델의 개념의 예시적인 실시예를 예시한다.
도 20은 오비탈 용접 환경에서 이용되는 바와 같은 오비탈 용접 시스템의 예시적인 실시예를 예시한다.
도 21은 도 20의 오비탈 용접 시스템에서 이용하기 위한 용접 트랙터를 예시한다.
도 22는 도 20의 오비탈 용접 시스템의 전원 및 제어기를 예시한다.
도 23은 도 20의 오비탈 용접 시스템에서 이용하기 위한 펜던트를 예시한다.

본 발명을 제한할 목적이 아닌 본 발명의 실시예들을 단지 예시할 목적을 위해 도시되는 도면들을 이제 참조하면, 도 1 및 도 2는 일반적으로 도면부호 10으로 도시되는, 용접을 시뮬레이트하기 위한 시스템을 보여주는 것으로서, 이러한 시스템은 본 명세서에서 시뮬레이터(10) 또는 시스템(10)이라고 불리운다. 시뮬레이터(10)는 현실과 유사한 용접 세팅을 묘사할 수 있는 가상 환경(15)을 생성할 수 있고, 가상 현실 아크 용접(virtual reality arc welding; VRAW)으로서 알려질 수 있다. 가상 환경(15) 내에서, 시뮬레이터(10)는 하나 이상의 최종 사용자(들)(12)와의 상호작용을 용이하게 한다. 최종 사용자(12)가, 시뮬레이터(10)에 의해 트래킹되고 가상 활동으로 변환되는 현실 활동에 참여하도록 허용하는 입력 디바이스(155)가 포함된다. 가상 환경(15)은 이에 따라 상호작용식 가상 용접 환경(15)을 포함한다. 최종 사용자(12)의 활동 및 가상 환경(15)으로 시각적 액세스를 제공하는 디스플레이 디바이스(200)가 포함된다. 일 실시예에서, 시뮬레이터(10)는 복수의 최종 사용자들(12) 또는 다른 관찰자들에 의해 관찰 가능한 디스플레이 스크린(150)을 포함할 수 있다. 부가적으로, 시뮬레이터(10)는 훈련생 사용자(12a) 또는 강사 사용자(12b)일 수 있는 단일 최종 사용자(12)에 의한 이용에 적응된 개인 디스플레이(140)를 포함할 수 있다. 현실에서의 최종 사용자(12)의 활동은 가상 용접 활동으로 변환되고 실시간으로 하나 이상의 디스플레이들(140, 150) 상에서 관찰된다는 것이 여기서 명시적으로 유념된다. 본 명세서에서 이용된 바와 같이, "실시간"이란 용어는, 최종 사용자(12)가 현실 세팅에서 시간적으로 지각되고 경험하는 것과 동일한 방식으로 가상 환경에서 시간적으로 지각하고 경험하는 것을 의미한다.

상호작용식 가상 용접 환경(15)을 생성하는데 있어, 시뮬레이터(10)는 상이한 용접 위치들에서 복수의 용접 조인트들에 대한 하나 이상의 용접 프로세스들을 에뮬레이팅(emulate)하고, 부가적으로 복수의 조인트 구성들에 대한 상이한 종류의 전극들의 효과들을 에뮬레이팅한다. 하나의 특정한 실시예에서, 시뮬레이터(10)는 개방 루트 조인트(open root joint)의 파이프 용접 및/또는 용접을 에뮬레이팅하는 상호작용식 가상 용접 환경(15)을 생성한다. 시스템은 실시간 용융 금속 유동성(molten metal fluidity) 및 열 소산 특성들을 갖는 용접 퍼들(weld puddle)을 시뮬레이트할 수 있다. 시뮬레이터(10)는 또한 가상 용접 활동이 용접 조인트, 예를 들어, 하부의 베이스 물질에 어떻게 영향을 주는지를 모델링할 수 있다. 예시적으로, 시뮬레이터(10)는, 각각이 현실 시나리오들과 유사한 특성들을 갖는 루트 패스(root pass) 및 핫 패스(hot pass)는 물론, 후속적인 필러(subsequent filler) 및 캡 패스들(cap passes)의 용접을 에뮬레이팅할 수 있다. 각각의 후속의 패스는 이전의 패스 동안 이루어진 베이스 물질의 변경들의 결과로서 및/또는 상이하게 선택된 전극의 결과로서 이전의 패스의 것과 상당히 상이하게 용접할 수 있다. 퍼들 모델링의 실시간 피드백은 가상 용접이 수행될 때 최종 사용자(12)가 디스플레이 디바이스(200) 상에서 가상 용접 프로세스를 관찰하고 최종 사용자 자신의 기술들을 조정 또는 유지하도록 허용한다. 관찰되는 가상 표시자들의 종류들의 예들은, 몇 개만 말하자면, 용접 퍼들의 흐름, 용융된 퍼들의 미광(shimmer), 퍼들 고형화 동안 컬러의 변색, 퍼들의 동결 레이트(freeze rate), 열 소산의 컬러 그라디언트들, 사운드, 비드 정보, 위브 패턴(weave pattern), 슬래그(slag)의 형성, 언더컷, 다공성, 스패터(spatter), 슬래그 인트랩먼트, 오버필(overfill), 블로쓰루(blowthrough), 폐색(occlusion)들을 포함할 수 있다. 퍼들 특성들은 입력 디바이스(155)의 최종 사용자(12) 이동에 의존, 즉, 이에 응답한다는 것이 실현된다. 이러한 방식으로, 디스플레이되는 용접 퍼들은 최종 사용자(12) 용접 기술 및 선택된 용접 프로세스에 기초하여 실시간으로 형성되는 현실 용접 퍼들을 나타낸다. 또한, "웨건 트랙들(wagon tracks)"은 SMAW 프로세스를 이용한 파이프 용접 동안 이루어진 루트 패스의 종료 뒤에 남겨지는 용접 결함 및 슬래그의 시각적 흔적이다. 파이프 용접에서 핫 패스라 불리는 제 2 패스는 웨건 트랙들이 최종 용접물에서 제거되도록 이들이 용융하기에 충분히 뜨거워야 한다. 또한, 웨건 트랙들은 연마 프로세스에 의해 제거될 수 있다. 이러한 웨건 트랙들 및 웨건 트랙들의 제거는 본 발명의 실시예에 따라 본 명세서에서 설명된 시뮬레이터(10)에서 적절히 시뮬레이트된다.

도 1 및 도 2를 계속 참조하고, 이제 도 3a 및 도 3b를 또한 참조하면, 시뮬레이터(10)는 다양한 용접 위치들에서 용접 프로세스들을 에뮬레이팅하고 각각의 위치에서 용접 퍼들이 어떻게 반응하는지를 모델링할 수 있다. 보다 구체적으로, 시뮬레이터(10)는 5G, 2G 및 6G 위치들로서 각각 당 분야에서 지칭되는 수직, 수평 및/또는 경사진 위치들에서 파이프 용접을 에뮬레이팅할 수 있다. 부가적으로, 시뮬레이터(10)는 파이프의 회전 수평 위치에 관련되는 1G 위치에서 또는 인접한 플레이트들에서 그루브 용접과 연관될 수 있는 용접 오버헤드와 관련되는 4G 위치에서 용접을 에뮬레이팅할 수 있다. 다른 용접 위치들은 평탄한 플레이트의 다양한 구성들에 대한 개방 루트 조인트들의 용접에 관련될 수 있다. 후속의 단락들에서 상세히 설명되는 모델링 및 분석 엔진을 포함하는 시뮬레이터(10)는 용접 퍼들 상의 중력의 효과들을 고려한다는 것이 이해된다. 이에 따라, 용접 퍼들은 예를 들어, 5G 위치에서의 용접 파이프에 대해, 6G 위치의 것과 상이하게 반응한다. 위의 예들은 제한하는 것으로서 해석되는 것이 아니라, 예시 목적들을 위해 포함된다. 당업자는 임의의 용접 조인트, 용접 위치, 또는 상이한 종류들의 베이스 물질을 포함하는 용점물의 타입으로의 그의 적용을 쉽게 이해할 것이다.

이제 도 2 및 도 4를 참조하면, 시뮬레이터(10)는 상호작용식 가상 용접 환경(15)을 생성하기 위한 코딩된 명령을 프로그래밍하고 이를 실행하도록 동작할 수 있는 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)을 포함한다. 시뮬레이터(10)는 추가로 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 동작 가능하게 연결되는 공간 트래커(120)로 구성될 수 있는 센서들 및/또는 센서 시스템들을 또한 포함한다. 시뮬레이터(10)는 또한 시뮬레이터(10)의 셋업 및 제어를 위해 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)과 통신하는 용접 사용자 인터페이스(130)를 포함한다. 위에서 참조된 바와 같이, 상호작용식 가상 용접 환경(15)에 대한 시각적 액세스를 제공하는 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 각각 연결되는 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140) 및 관찰자 디스플레이 디바이스(150)를 포함할 수 있는 디스플레이 디바이스(들)(200)가 포함된다. 디스플레이 디바이스들(200) 중 하나 이상은 아래에서 설명되는 바와 같이, 그 위치 및/또는 그의 이동에 응답하여 디바이스 상에서 관찰되는 이미지들을 변경하기 위한 공간 트래커(120)에 연결될 수 있다.

입력 디바이스

이제 도 5를 참조하면, 위에서 언급된 바와 같이, 시뮬레이터(10)는 최종 사용자(12)와의 상호작용을 용이하게 하는 입력 디바이스(155)를 포함한다. 일 실시예에서, 입력 디바이스(155)는 모의 용접 툴(160)을 포함한다. 모의 용접 툴(160)은 예를 들어, 수동 용접 전극 홀더(manual welding electrode holder) 또는 전극에 연속적인 피드를 전달하는 용접 건(weld gun), 즉, MIG, FCAW, 또는 GTAW 용접 툴들과 같은 현실 용접 툴을 닮도록 만들어질 수 있다. 여전히, 모의 용접 툴(160)의 다른 구성들은 본 발명의 실시예들의 커버리지의 의도된 범위로부터 벗어남 없이 구현될 수 있다. 논의 목적들을 위해, 본 발명의 실시예들은 수동 용접 전극 홀더(156)를 닮은 모의 용접 툴(160)을 이용하는 맥락에서 설명될 것이다. 모의 용접 툴(160)은 현실 용접 툴을 근접하게 닮을 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 모의 용접 툴(160)은 현실 용접 툴과 동일한 형상, 무게 및 느낌을 가질 수 있다. 사실상, 실제 용접 툴이 사용자의 손에서 툴의 실제 느낌을 제공하기 위한 모의 용접 툴(160)로서 이용될 수 있지만, 시뮬레이터(10)에서, 실제 용접 툴은 실제 아크를 실제로 생성하는데 이용되진 않을 것이다. 이러한 방식으로, 훈련생 사용자(12a)일 수 있는 최종 사용자(12)는 현실의 용접 툴을 다루는데 익숙하게 되어서, 가상 용접 경험을 강화한다. 그러나 모의 용접 툴(160)은 사운드 판단으로 선택된 임의의 방식으로 구성될 수 있다.

예시적으로, 모의 용접 툴(160)은 파이프 용접을 위해 스틱 용접 툴을 시뮬레이트하고 홀더(161) 및 이로부터 연장하는 시뮬레이트된 스틱 전극(162)을 포함한다. 시뮬레이트된 스틱 전극(162)은 현실 세팅에서 용접 동안 발생하는 저항 피드백을 시뮬레이트하기 위해 촉감적 저항 팁(tactilely resistive tip)(163)을 포함할 수 있다. 최종 사용자(12)가 루트로부터 뒤로 너무 많이 시뮬레이트된 스틱 전극(162)을 이동시키는 경우(아래에서 상세히 설명됨), 최종 사용자(12)는 감소된 저항을 느끼거나 감지할 수 있어서, 현재의 용접 프로세스를 조정하거나 유지하는데 있어 이용하기 위한 피드백을 유도할 것이다. 스틱 용접 툴은 가상 용접 프로세스 동안 시뮬레이트된 스틱 전극(162)을 회수(withdraw)하는 엑추에이터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 즉, 최종 사용자(12)가 가상 용접 활동에 참여할 때, 홀더(161)와 시뮬레이트된 스틱 전극(162)의 팁 간의 거리는 전극의 소모를 시뮬레이트하도록 감소된다. 소모 레이트, 즉 스틱 전극(162)의 회수는 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 의해, 그리고 보다 구체적으로 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 의해 실행되는 코딩된 명령들에 의해 제어될 수 있다. 시뮬레이트된 소모 레이트는 최종 사용자(12) 기술에 또한 의존할 것이다. 시뮬레이터(10)가 상이한 타입들의 전극들을 통한 가상 용접을 용이하게 하기 때문에, 스틱 전극(162)의 감소 또는 소모 레이트는 시뮬레이터(10)의 셋업 및/또는 이용되는 용접 절차에 따라 변경될 수 있다는 것을 여기서 언급하는 것이 주목할 만하다.

모의 용접 툴(160)의 엑추에이터는 전기적으로 구동될 수 있다. 엑추에이터와 관련된 전력은 시뮬레이터(10)로부터, 외부 전원으로부터 또는 내부 배터리 전력으로부터 나온다. 일 실시예에서, 엑추에이터는 전기 모터와 같은 전동 디바이스일 수 있다. 여전히, 전자기 엑추에이터들, 기압(pneumatic) 엑추에이터들, 기계 또는 스프링 로딩된 엑추에이터들, 이들의 임의의 결함을 포함(그러나 이러한 것으로 제한되지 않음)하는 임의의 타입의 엑추에이터 또는 임의의 형태의 동력(motive force)이 이용될 수 있다.

위에서 표시된 바와 같이, 모의 용접 툴(160)은 시뮬레이터(10)와 상호작용하기 위한 공간 트래커와 함께 작동한다. 특히, 모의 용접 툴(160)의 위치 및/또는 배향은 공간 트래커(120)에 의해 실시간으로 모니터링되고 트래킹된다. 위치 및 배향을 표현하는 데이터는 이에 따라 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 전달되고 가상 용접 환경(15)과 상호작용하기 위해 요구되는 바와 같이 이용을 위해 수정되거나 변환될 수 있다.

공간 트래커

도 8을 참조하면, 공간 트래커(120)의 일 예가 예시된다. 공간 트래커(120)는 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)과 인터페이싱할 수 있다. 일 실시예에서, 공간 트래커(120)는 모의 용접 툴(160)을 자기적으로 트래킹할 수 있다. 즉, 공간 트래커는, 위치 및 배향은 물론, 속도 및/또는 속도의 변화들을 결정하는데 이용되는 자기 엔벨로프(magnetic envelope)를 생성한다. 이에 따라, 공간 트래커(120)는 자기 소스(121) 및 소스 케이블, 하나 이상의 센서들(122), 디스크(123) 상의 호스트 소프트웨어, 전원(124), USB 및 RS-232 케이블(125), 프로세서 트래킹 유닛(126) 및 다른 연관된 케이블들을 포함한다. 자기 소스(121)는 케이블들을 통해 프로세서 트래킹 유닛(126)에 동작 가능하게 연결될 수 있을 수 있고, 센서(122)도 그러하다. 전원(124)은 또한 케이블을 통해 프로세서 트래킹 유닛(126)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 프로세서 트래킹 유닛(126)은 USB 또는 RS-232 케이블(125)을 통해 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 디스크(123) 상의 호스트 소프트웨어는 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)으로 로딩될 수 있고, 공간 트래커(120)와 로직 프로세서 기반 서브시스템(110) 간의 기능적 통신을 허용한다.

자기 소스(121)는, 시뮬레이터(10)와 상호작용하기 위해 최종 사용자(12) 활동이 트래킹될 수 있는 3차원 공간을 정의하는 소스(121) 주변에 자기장 또는 엔벨로프를 생성한다. 엔벨로프는 기준의 공간 프레임을 설정한다. 엔벨로프 내에서 이용되는 객체들, 예를 들어, 모의 용접 툴(160) 및 쿠폰(coupon) 스탠드(아래에서 설명됨)는 자기 소스(121)에 의해 생성된 자기장을 왜곡하지 않도록 비 금속, 즉, 비 철(non-ferric) 및 비 전도성 물질로 구성될 수 있다. 센서(122)는 실질적으로 직교로 정렬될 수 있는 교차하는 공간 방향들로 정렬되는 다수의 유도 코일들을 포함할 수 있다. 프로세서 트래킹 유닛(126)에 정보를 제공하는 유도 코일들은 3방향들 각각의 자기장의 세기를 측정한다. 일 실시예에서, 모의 용접 툴(160)이 위치 및 배향 양자에서 기준의 공간 프레임에 대하여 트래킹되도록 허용하는 센서(122)가 모의 용접 툴(160)에 부착될 수 있다. 보다 구체적으로, 유도 코일들은 전극(162)의 팁에 장착될 수 있다. 이러한 방법으로, 시뮬레이터(10)는 3차원 엔벨로프 내에서 모의 용접 툴(160)이 어디에 위치되는지를 결정할 수 있다. 부가적인 센서들(122)이 제공되고 하나 이상의 디스플레이 디바이스들(200)에 동작 가능하게 부착될 수 있다. 이에 따라, 시뮬레이터(10)는 센서 데이터를 이용하여 최종 사용자(12)의 이동에 응답하여 최종 사용자(12)가 조망하는 뷰(view)를 변경한다. 따라서 시뮬레이터(10)는 가상 용접 환경(15)으로의 변환을 위해 현실에서의 최종 사용자(12)의 활동을 캡처 및 트래킹한다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 센서(들)(122)는 프로세서 트래킹 유닛(126)과 무선으로 인터페이싱하고, 프로세서 트래킹 유닛(126)은 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)과 무선으로 인터페이싱한다. 본 발명의 다른 대안적인 실시예들에 따라, 예를 들어, 가속도계/자이로스코프 기반 트래커, 광학 트래커, 적외선 트래커, 음향 트래커, 레이저 트래커, 라디오 주파수 트래커, 관성 트래커, 능동 또는 수동 광학 트래커 및 증강된 현실 기반 트래킹을 포함하는 다른 타입들의 공간 트래커(120)가 시뮬레이터(10)에서 이용될 수 있다. 또한, 다른 타입들의 트래커들은 본 발명의 실시예의 커버리지의 의도된 범위로부터 벗어남 없이 이용될 수 있다.

디스플레이 디바이스

이제 도 7a를 참조하면, 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140)의 예가 이제 설명될 것이다. 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140)는 도 7c에서 도시된 바와 같이 용접 헬멧(900)에 통합되거나, 또는 대안적으로 도 7b에서 도시된 바와 같이 별개로 장착될 수 있다. 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140)는 2D 및 프레임 순차적 비디오 모드들에서 유체 풀 모션 비디오(fluid full-motion video)를 전달할 수 있는 2개의 하이 콘트라스트(high-contrast) SVGA 3D OLED 마이크로 디스플레이들을 포함할 수 있다. 가상 용접 환경(15)으로부터의 가상 이미지들, 예를 들어, 비디오가 제공되고 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140) 상에서 디스플레이된다. 본 발명의 일 실시예에서, 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)은 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140)에 입체 비디오를 제공하여, 사용자의 깊이 지각(depth perception)을 강화한다. 입체 이미지들은 아래에서 추가로 설명되는 그래픽 처리 장치일 수 있는 로직 프로세싱 유닛에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 2X의 줌(zoom) 모드가 또한 제공되어, 사용자가 치터 플레이트(cheater plate)를 시뮬레이트하도록 허용한다. 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140)는 유선 또는 무선 수단을 통해 로직 프로세서 기반 서브시스템(110) 및 공간 트래커(120)에 동작 가능하게 연결된다. 공간 트래커(120)의 센서(122)는 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140) 또는 용접 헬멧(900)에 부착되어서, 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140)가 공간 트래커(120)에 의해 생성된 기준의 3D 공간 프레임에 관하여 트래킹되도록 허용할 수 있다. 이러한 방법으로, 용접 헬멧(900)의 이동은 3차원 가상 현실 세팅에서 최종 사용자(12)가 조망하는 이미지를 반응적으로 변경한다.

얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140)는 또한 후속적으로 설명되는 바와 같이, 관찰자 디스플레이 디바이스(150)의 것과 유사한 메뉴 아이템들을 콜 업(call up)하고 디스플레이하도록 기능할 수 있다. 이러한 방식으로, 최종 사용자는 이에 따라 모의 용접 툴(160) 상의 제어(예를 들어, 버튼 또는 스위치)를 이용하여 메모로부터의 옵션들을 작동 및 선택할 수 있다. 이는 예를 들어, 사용자가 실수하거나, 특정한 파라미터들을 변경하거나, 또는 용접 비드 궤도(weld bead trajectory)의 부분을 재실행(re-do)하도록 되돌아가는 경우 사용자가 용접을 쉽게 리셋하도록 허용할 수 있다.

얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140)는 스피커(910)를 더 포함하여, 사용자가 시뮬레이터(10)에 의해 생성되는 시뮬레이트된 용접 관련 및 환경 사운드들을 듣도록 허용할 수 있다. 사운드 콘텐츠 기능성 및 용접 사운드들은, 특정한 용접 파라미터들이 허용오차 내에 있거나 허용오차 외부에 있는지에 의존하여 변경되는 특정한 타입들의 용접 사운드들을 제공한다. 사운드들은 다양한 용접 프로세스들 및 파라미터들에 대해 맞춤화된다. 예를 들어, MIG 스프레이 아크 용접 프로세스에서, 사용자가 모의 용접 툴(160)을 올바르게 위치시키지 않을 때 딱딱거리는 사운드(crackling sound)가 제공되고, 모의 용접 툴(160)이 올바르게 위치될 때에는 치찰음(hissing sound)이 제공된다. 쇼트 아크(short arc) 용접 프로세스에서, 치찰음은 언더컷팅(undercutting)이 발생할 때 제공된다. 이 사운드들은 올바른 용접 기술 및 올바르지 않은 용접 기술에 대응하는 현실의 사운드들을 흉내낸다.

고충실도 사운드 콘텐츠가 다양한 전자 및 기계 수단을 이용하여 실제 용접의 현실 레코딩으로부터 취득될 수 있다. 사운드의 지각되는 볼륨 및 방향은 모의 용접 툴(160) 및 용접 쿠폰(175) 간의 시뮬레이트된 아크에 관하여, 최종 사용자의 머리, 즉 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140)의 위치, 배향 및 거리에 의존하여 수정된다. 사운드는 이어버드 스피커들(earbud speakers) 또는 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140)에 장착되거나 또는 대안적으로 콘솔(135) 및/또는 스탠드(170)에 장착되는 임의의 다른 타입의 스피커들 또는 사운드 생성 디바이스일 수 있는 스피커들(910)을 통해 사용자에 제공될 수 있다. 여전히, 가상 용접 활동에 참여하는 동안 최종 사용자(12)에게 사운드를 제시하는 임의의 방식이 선택될 수 있다. 다른 타입들의 사운드 정보가 스피커들(910)을 통해 전달된다는 것이 여기서 또한 주의된다. 예들은 실시간으로 또는 사전 레코딩된 메시지들을 통해 강사 사용자(12b)로부터의 구두 명령들을 포함한다. 사전 레코딩된 메시지들은 특정한 가상 용접 활동에 의해 자동으로 트리거될 수 있다. 실시간 명령들은 원격 위치로부터 또는 현실에서 생성될 수 있다. 여전히, 임의의 타입의 메시지 또는 명령이 최종 사용자(12)에 전달될 수 있다.

콘솔

이제 도 2, 도 6 및 도 7을 참조하면, 시뮬레이터(10)는 시뮬레이터(10)의 하나 이상의 컴포넌트들을 하우징하는 콘솔(135)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 콘솔(135)은 용접 전원을 닮도록 구성될 수 있다. 즉, 콘솔(135)의 형상 및 크기는 현실에서의 디바이스의 형상 및 크기와 매칭할 수 있다. 시뮬레이터(10)의 동작은 용접 전원 손잡이들, 다이얼들 및/또는 스위치들(133, 134)을 닮도록 형성될 수 있는 용접 유닛 인터페이스(130)에 의해 용이하게 될 수 있다. 시뮬레이터(10)는 디스플레이 디바이스(200)일 수 있는 디스플레이를 더 포함할 수 있다. 즉 시뮬레이터(10) 상에 설치된 코딩된 명령들, 즉 소프트웨어는 디스플레이 스크린(200) 상에 명령들 및/또는 메뉴 옵션들을 디스플레이함으로써 시뮬레이터(10)와 최종 사용자(12)와의 상호작용을 지시(direct)할 수 있다. 시뮬레이터(10)와의 상호작용은 관리 활동 또는 시뮬레이션 셋업 및 작동에 관한 기능들을 포함할 수 있다. 이는 특정한 용접 프로세스 및 전극 타입의 선택은 물론 용접 위치를 포함하는 부분 셋업을 포함할 수 있다. 용접 유닛 인터페이스(130)에 의해 행해진 선택들은 디스플레이 디바이스(200) 상에 반영된다.

도 6은 콘솔(135) 및 용접 유닛 인터페이스(130)의 예시적인 실시예를 예시한다. 용접 유닛 인터페이스(130)는 시뮬레이터(10)의 셋업 및 동작 동안 이용되는 사용자 선택들(153)에 대응하는 버튼들(131)의 세트를 포함할 수 있다. 버튼들(131)은 디스플레이 디바이스(200) 상에 디스플레이되는 사용자 선택들(153)의 컬러들에 대응하도록 채색될 수 있다. 버튼들(131) 중 하나가 눌러질 때, 신호는 대응하는 기능을 작동시키도록 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 송신된다. 용접 유닛 인터페이스(130)는 또한 디스플레이 디바이스(200) 상에 디스플레이되는 다양한 파라미터들 및 선택들을 선택하도록 이용자에 의해 이용될 수 있는 조이스틱(132)을 포함할 수 있다. 용접 유닛 인터페이스(130)는 추가로, 예시적인 방식으로 와이어 피드 속도/앰프들을 조정하기 위해 이용될 수 있는 다이얼 또는 손잡이(133) 및 볼트들/트림(trim)을 조정하기 위한 다른 다이얼 또는 손잡이(134)를 포함한다. 용접 유닛 인터페이스(130)는 또한 아크 용접 프로세스를 선택하기 위한 다이얼 또는 손잡이(136)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라, 플럭스 코어드 아크 용접(flux cored arc welding; FCAW), 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding; GMAW) 및 피복 아크 용접(shielded metal arc welding; SMAW)를 포함하는 3개의 아크 용접 프로세스들이 선택 가능하다. 용접 유닛 인터페이스(130)는 추가로 용접 극성들을 선택하기 위한 다이얼 또는 손잡이(137)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라, 교류(AC), 양의 직류(DC+), 및 음의 직류(DC-)를 포함하는 3개의 아크 용접 극성들이 선택 가능하다. 여전히, TIG 용접을 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)하는 다른 용접 프로세스들 및 셋업 피처들이 본 발명의 실시예들의 커버리지의 의도된 범위로부터 벗어남 없이 시뮬레이터(10)에 통합될 수 있다. 상술된 것으로부터, 시뮬레이터(10)의 셋업은 현실의 디바이스의 셋업과 유사하다는 것이 쉽게 알게 될 것이다.

그래픽 사용자 인터페이스 기능성(1213)(도 12 참조)은 용접 시나리오를 셋업하기 위해 물리적 사용자 인터페이스(130)의 조이스틱(132)을 이용하여 관찰자 디스플레이 디바이스(150)를 통해 사용자가 관찰 가능하도록 허용한다. 용접 시나리오의 셋업은 언어를 선택하고, 최종 사용자 이름을 입력하고, 연습 플레이트(예를 들어, 용접 쿠폰, T-플레이트, 평탄한 플레이트)를 선택하고, 용접 프로세스(예를 들어, FCAW, GMAW, SMAW, TIG) 및 연관된 픽셀 스프레이, 펄스, 또는 쇼트 아크 전달 모드를 선택하고, 가스 타입 및 유량을 선택하고, 스틱 전극(예를 들어, E6010 또는 E7018)을 선택하고, 플럭스 코어 와이어의 타입(예를 들어, 자가 실드 또는 가스 실드)을 선택하는 것을 포함할 수 있다. 용접 시나리오의 셋업은 또한 아래에서 상세히 논의되는 쿠폰 스탠드(170)를 셋업하는 것을 포함할 수 있다. 용접 시나리오의 셋업은 추가로 환경(예를 들어, 가상 현실 공간의 배경 환경)을 선택하고, 와이어 피드 속도를 세팅하고, 전압 전력을 세팅하고, 극성을 선택하고, 특정한 시각적 큐(cue)들을 턴 온 또는 오프하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 선택된 프로세스에 대한 적절한 세팅들이 적절히 입력될 때까지 주어진 용접 시나리오의 동작을 방지하는, 소프트웨어 제한들일 수 있는 제한들이 시뮬레이터(10)에 통합된다는 것이 여기서 주의된다. 이러한 방법에서, 훈련생 사용자들(12a)은 가상 용접 시나리오들을 셋업함으로써 현실 용접 세팅들의 적절한 범위를 배우거나 학습한다.

이에 따라, 디스플레이 디바이스(200)는 메뉴, 동작들, 시각적 큐들, 새로운 쿠폰 셋업 및 스코어(score)를 포함해서, 최종 사용자 선택들(153)에 대응하는 활동을 반영한다. 이들 사용자 선택들은 콘솔(135) 상의 사용자 버튼들과 결부될 수 있다. 사용자가 디스플레이 디바이스(200)를 통해 다양한 선택들을 하면, 디스플레이되는 특성들은 선택된 정보 및 다른 옵션들을 사용자에게 제공하도록 변경될 수 있다. 그러나 관찰자 디스플레이 디바이스(150)일 수 있는 디스플레이 디바이스(200)는, 시뮬레이터(10)의 동작 동안, 즉, 가상 용접 활동에 참여하는 동안 최종 사용자(12)가 조망하는 가상 이미지들을 디스플레이하기 위한 것인 다른 기능을 가질 수 있다. 디스플레이 디바이스(200)는 최종 사용자(12)가 조망하는 것과 동일한 이미지를 관찰하도록 셋업될 수 있다. 대안적으로, 디스플레이 디바이스(200)는 가상 용접 활동의 상이한 뷰, 또는 상이한 시점을 디스플레이하는데 또한 이용될 수 있다.

일 실시예에서, 디스플레이 디바이스(150, 200)는 도 10에서 도시된 데이터 저장 디바이스들(300) 상에 전자적으로 저장된 가상 용접 활동을 재생하는데 이용될 수 있다. 저장 목적들을 위해 다운로딩되고 및/또는 실시간으로 관찰하고 평론하기 위해 원격 위치들로 전송되는, 최종 사용자(12)의 가상 용접 활동을 표현하는 데이터는 재생 및 리뷰를 위해 저장될 수 있다. 가상 용접 활동을 재생하는데 있어, 용접 퍼들 유동성, 이동 속도와 같은 세부사항들은 물론, 예를 들어, 부적절한 필릿(fillet) 크기, 열등한 비드 배치, 오목한 비드, 과도한 볼록함, 언더컷, 다공성(porosity), 불완전한 퓨전, 슬래그 인트랩먼트(entrapment), 과도한 스패터 및 번-쓰루를 포함하는 단절 상태들(152)이 표현될 수 있다. 허용오차 각도의 이탈의 결과인 언더컷이 또한 디스플레이될 수 있다. 또한, 용접물로부터 너무 많이 떨어지게 아크를 이동시킴으로써 야기되는 다공성이 디스플레이될 수 있다. 이러한 방식으로, 시뮬레이터(10)는 최종 사용자의 활동에 직접 관련되는 결함들 및 폐색들을 포함하는 가상 용접 시나리오의 모든 양상들을 모델링하도록 특정한 가상 용접 활동의 일부분 또는 모두를 재생할 수 있다.

도 6a를 참조하면, 시뮬레이터(10)는 또한 가상 용접 활동의 결과들을 분석 및 디스플레이할 수 있다. 결과들을 분석함으로써, 시뮬레이터(10)는 용접 패스(welding pass) 동안 그리고 용접 조인트들을 따라, 최종 사용자(12)가 용접 프로세스의 수락 가능한 제한들로부터 벗어날 때를 결정할 수 있다고 여겨진다. 스코어는 최종 사용자(12)의 성능에 기인할 수 있다. 일 실시예에서, 스코어는 이상적인 용접 패스로부터 한계치 용접 활동 또는 허용불가능한 용접 활동까지 연장될 수 있는 허용오차들의 범위에 걸친 모의 용접 툴(160)의 위치, 배향 및 속도에서의 편차의 함수일 수 있다. 최종 사용자(12)의 성능을 스코어링하기 위해 선택된 임의의 범위의 그라디언트가 시뮬레이터(10)에 포함될 수 있다. 스코어링은 숫자 또는 알파벳-숫자로 디스플레이된다. 부가적으로, 용접 조인트에 따른 위치 및/또는 시간에 있어서 모의 용접 툴이 용접 조인트에 얼마나 근접하게 이동하였는지를 그래픽으로 보여주는 최종 사용자(12)의 성능이 디스플레이될 수 있다. 이동 각도, 작업 각도, 속도 및 용접 조인트로부터의 거리와 같은 파라미터들이 측정될 수 있는 것들의 예이지만, 임의의 파라미터들은 스코어링 목적을 위해 분석될 수 있다. 파라미터들의 허용오차 범위들은 현실 용접 데이터로부터 취해져서, 현실에서 최종 사용자가 어떻게 수행하는지에 관한 정확한 피드백을 제공한다. 다른 실시예에서, 최종 사용자(12) 성능에 대응하는 결함들의 분석이 또한 포함되고 디스플레이 디바이스(150, 200) 상에 디스플레이될 수 있다. 이 실시예에서, 가상 용접 활동 동안 모니터링되는 다양한 파라미터들을 측정하는 것으로부터 어떤 타입의 단절이 초래되는지를 표시하는 그래프가 묘사된다. 폐색들이 디스플레이 디바이스(200) 상에서 시각적이지 않은 동안, 결함들은 최종 사용자(12) 성능의 결과로서 여전히 발생할 수 있으며, 그 결과들은 여전히 상응하게 디스플레이, 즉 그래프화될 수 있다.

디스플레이 디바이스(200)는 최종 사용자(12)를 트레이닝하는데 이용되는 튜토리얼 정보(tutorial information)를 디스플레이하는데 또한 이용될 수 있다. 튜토리얼 정보의 예들은 비디오 또는 화상들에 의해 묘사되는 바와 같이 그래픽적으로 디스플레이될 수 있는 명령들을 포함할 수 있다. 부가적으로, 명령들은 위에서 언급된 오디오 포맷으로 작성되거나 제시될 수 있다. 이러한 정보는 데이터 저장 디바이스들(300) 상에 저장되고 유지될 수 있다. 일 실시예에서, 시뮬레이터(10)는 본 명세서에서 시각적 큐들로서 불리는 위치, 작업할 팁, 용접 각도, 이동 각도 및 이동 속도를 포함하는 다양한 용접 파라미터들(151)을 보여주는 가상 용접 장면들을 디스플레이할 수 있다.

일 실시예에서, 원격 통신들은 유사하게 또는 다르게 구성된 디바이스들, 즉 시뮬레이터들을 작동하는 장외 인원(offsite personnel), 즉, 원격 사용자들에 의한 가상 명령을 제공하는데 이용될 수 있다. 가상 용접 프로세스를 묘사하는 것은 인터넷, LAN들 및 다른 데이터 전송 수단을 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)하는 네트워크 연결을 통해 달성될 수 있다. 특정한 용접을 표현하는 데이터(성능 변수들을 포함함)는 가상 이미지 및/또는 용접 데이터를 디스플레이할 수 있는 다른 시스템에 송신될 수 있다. 전송된 데이터는 원격 사용자(들)가 용접공의 성능을 분석하도록 허용하기 위해 충분히 상세하다는 것이 주의되어야 한다. 원격 시스템에 송신된 데이터는 가상 용접 환경을 생성하는데 이용될 수 있어서, 특정한 용접 프로세스를 재생성한다. 여전히, 성능 데이터 또는 가상 용접 활동을 다른 디바이스에 전달하는 임의의 방법은 본 발명의 실시예들의 커버리지의 의도된 범위로부터 벗어남 없이 구현될 수 있다.

용접 쿠폰

이제 도 1, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 시뮬레이터(10)는 용접 조인트(176)를 형성하도록 병치된 파이프 섹션들을 닮은 용접 쿠폰(175)을 포함할 수 있다. 용접 쿠폰(175)은 가상 용접 활동에 참여하는 동안 최종 사용자(12)에 대한 가이드로서 역할하는 시뮬레이터(10)와 함께 작동할 수 있다. 복수의 용접 쿠폰들(175)이 이용될 수 있는데, 즉 가상의 용접 활동의 주어진 사이클에 이용하도록 교체된다. 용접 쿠폰들의 타입들은, 몇 개만 말하자면, 원통형 파이프 섹션들, 아치형 파이프 세그먼트들, 평탄한 플레이트 및 T-플레이트 용접 조인트들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 용접 쿠폰들 각각은 개방 루트 조인트들 또는 그루브들을 포함할 수 있다. 그러나 용접 조인트들의 임의의 구성들은 본 발명의 실시예들의 커버리지의 의도된 범위로부터 벗어남 없이 용접 쿠폰에 포함될 수 있다.

용접 쿠폰들(175)의 치수는 변동될 수 있다. 원통형 파이프의 경우, 내부 직경의 범위는

인치들(내부 직경) 내지 18 인치(내부 직경)까지 연장할 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 내부 직경들의 범위는 18인치를 초과할 수 있다. 다른 실시예에서, 아치형 파이프 세그먼트들은

인치(내부 직경) 내지 18인치(내부 직경)까지 그리고 이를 초과하는 범위의 특유의 반지름을 가질 수 있다. 또한, 용접 쿠폰(175)의 임의의 내부 직경이 활용될 수 있는 것으로 해석될 것인데, 이들은

인치보다 더 작고 이들은 18인치 초과한다. 실제적인 견지에서, 용접 쿠폰(175) 또는 용접 쿠폰(175)의 부분이 공간 트래커(120)에 의해 생성되는 엔벨로프 내에 맞춰지는 한 임의의 크기의 용접 쿠폰(175)이 이용될 수 있다. 평탄한 플레이트는 또한 길이가 18인치까지 연장하고 이를 초과할 수 있다. 여전히, 용접 쿠폰(175)의 상위 치수 제한들은 공간 트래커(120)에 의해 생성되는 감지 필드의 크기 및 세기 및 용접 쿠폰(175) 각각에 대하여 위치되는 그의 능력에 의해서만 제한된다. 모든 이러한 변동들은 본 발명의 실시예들의 커버리지의 범위 내에 있는 것으로서 해석될 것이다.

위에서 언급된 바와 같이, 용접 쿠폰(175)은 공간 트래커(120)를 간섭하지 않는 물질로 구성될 수 있다. 자기장을 생성하는 공간 트래커들의 경우, 용접 쿠폰(175)은 비 철 및 비 전도성 물질로 구성될 수 있다. 그러나 공간 트래커(120) 또는 선택된 다른 센서들에 이용하기에 적합한 임의의 타입의 물질이 선택될 수 있다.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 용접 쿠폰(175)은 그것이 공간 트래커(120)에 대하여 용접 쿠폰(175)을 (적어도 부분적으로) 일정하게 홀딩하도록 기능하는 테이블 또는 스탠드(170)에 딱 맞게 되도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 용접 쿠폰(175)은 연결 부분(177) 또는 커넥터(177)를 포함할 수 있다. 연결 부분(177)은 예시된 바와 같이, 하부측일 수 있는, 용접 쿠폰(175)의 한 측으로부터 연장하고, 스탠드(170)에 포함되는 기계적 인터로킹 디바이스 내로 수용될 수 있다. 용접 쿠폰(175)이 스탠드(170)에 삽입되는 배향은, 가상 용접 환경(15) 내에서 생성되는 가상 용접물, 즉, 파이프에 근접하게 매칭하기 위해 일정하게, 즉 반복 가능하게 될 필요가 있다는 것이 인지될 것이다. 이러한 방식으로, 용접 쿠폰(175)의 위치가 어떻게 변경되는지에 관해 시뮬레이터(10)가 인식하는 한, 가상 대응체(virtual counterpart)에 대한 조정들이 상응하게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 셋업 동안, 최종 사용자(12)는 용접될 파이프의 크기를 선택할 수 있다. 최종 사용자(12)는 이어서 적절한 용접 쿠폰(175)을 스탠드(170)에 삽입하여 그 용접 쿠폰(175)을 위치에 고정시킨다. 후속적으로, 최종 사용자(12)는 용접 사용자 인터페이스(130)를 통해 선택한 원하는 용접 위치를 선택할 수 있다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 스탠드(170)는 이어서 시뮬레이터(10)에 의해 인지되는 용접 위치들 중 임의의 위치에 용접 쿠폰(175)을 위치시키도록 조정되거나 기울어질 수 있다. 물론, 용접 쿠폰(175)의 위치의 조정은 또한 공간 트래커(120)의 위치를 또한 조정하여, 센서 트래킹 필드 내에서 용접 쿠폰(175)의 상대적 위치를 유지한다는 것이 인지될 것이다.

도 9는 스탠드(170)의 일 실시예를 도시한다. 스탠드(170)는 조정 가능한 테이블(171), 스탠드 베이스(172), 조정 가능한 암(173), 및 수직 포스트(174)를 포함할 수 있다. 테이블(171) 및 암(173)은 수직 포스트(174)에 각각 부착된다. 테이블(171) 및 암(173)은 각각 수직 포스트(174)의 높이에 따라 조정될 수 있으며, 이는 위, 아래, 및/또는 수직 포스트(174)에 대한 회전 이동을 포함할 수 있다. 암(173)은 본 명세서에서 논의된 것과 부합하는 방식으로 용접 쿠폰(175)을 홀딩하는데 이용된다. 테이블(171)은 이용 동안 자신의 암들이 테이블(171)에 놓여있도록 허용함으로써 최종 사용자(12)를 도울 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 수직 포스트(174)는 위치 정보에 따라 인덱싱될 수 있어서, 사용자는 암(173) 및 테이블(171)이 위치되는 곳을 정확히 알 수 있게 될 수 있다. 이 정보는 또한 셋업 동안 용접 사용자 인터페이스(130) 및 디스플레이 디바이스(150)에 의해 시뮬레이터(10)에 입력될 수 있다.

테이블(171) 및 암(173)의 위치들이 시뮬레이터(10)의 셋업 동안 이루어지는 선택들에 응답하여 자동으로 조정되는 본 발명의 대안적인 실시예가 고려된다. 이 실시예에서, 용접 사용자 인터페이스(130)를 통해 내려진 선택들은 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 전달될 수 있다. 스탠드(170)에 의해 이용되는 피드백 센서들 및 엑추에이터들은 암(173) 또는 테이블(171)을 물리적으로 이동시킴 없이 용접 쿠폰(175)을 위치시키기 위해 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 의해 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 엑추에이터들 및 피드백 센서들은 전기적으로 구동되는 서보모터들을 포함할 수 있다. 그러나 사운드 엔지니어링 판단(sound engineering judgment)을 통해 선택된 바와 같이 스탠드(170)의 위치를 자동으로 조정하기 위해 임의의 동력 장치(locomotive device)가 이용될 수 있다. 이러한 방식으로, 용접 쿠폰(175)을 셋업하는 프로세스는 자동화되고 최종 사용자(12)에 의한 수동 조정을 요구하지 않는다.

본 발명의 다른 실시예는 본 명세서에서 "스마트(smart)" 쿠폰들(175)로 불리는 용접 쿠폰(175)과 함께 이용되는 지능형 디바이스들의 이용을 포함한다. 이 실시예에서, 용접 쿠폰(175)은 스탠드(170)에 의해 감지될 수 있는 특정한 용접 쿠폰(175)에 관한 정보를 갖는 디바이스를 포함한다. 특히, 암(173)은 용접 쿠폰(175) 상에 위치되는 디바이스 상에 또는 그 내부에 저장된 데이터를 판독하는 검출기들을 포함할 수 있다. 예들은, 검출기들 근처에 오게 될 때 무선으로 판독될 수 있는, 센서, 예를 들어, 마이크로 전자 디바이스 상에 인코딩된 디지털 데이터의 이용을 포함할 수 있다. 다른 예들은 바 코딩(bar coding)과 같은 수동 디바이스들의 이용을 포함할 수 있다. 여전히, 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)으로 용접 쿠폰(175)에 관한 정보를 지능적으로 전달하는 임의의 방식이 사운드 엔지니어링 판단을 통해 선택될 수 있다.

용접 쿠폰(175) 상에 저장된 데이터는, 스탠드(170)에 삽입되는 용접 쿠폰(175)의 종류를 시뮬레이터(10)에 자동으로 표시할 수 있다. 예를 들어, 2 인치 파이프 쿠폰은 그의 직경에 관련된 정보를 포함할 수 있다. 대안적으로, 평탄한 플레이트 쿠폰은 쿠폰 상에 포함된 용접 조인트의 종류, 예를 들어, 그루브 용접 조인트 또는 맞대기 용접 조인트(butt weld joint)는 물론 그의 물리적 치수들을 표시하는 정보를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 용접 쿠폰(175)에 관한 정보는, 용접 쿠폰(175)을 선택하고 설치하는 것에 관련된 시뮬레이터(10)의 셋업의 그 부분을 자동화하는데 이용될 수 있다.

교정 기능성(1208)(도 12 참조)은 가상 용접 환경(15)의 시각적 컴포넌트들로 현실 공간(기준의 3D 프레임)의 물리적 컴포넌트들을 매칭시키는 능력을 제공한다. 각각의 상이한 타입의 용접 쿠폰(175)은 스탠드(170)의 암(173)에 용접 쿠폰(175)을 장착하고, 스탠드(170)에 동작 가능하게 연결된 교정 스타일러스(calibration stylus)로 미리 정의된 지점들(179)(예를 들어, 용접 쿠폰(175) 상의 3개의 홈들(dimples)(179)에 의해 표시됨)에서 용접 쿠폰(175)을 터치함으로써 공장에서 교정된다. 시뮬레이터(10)는 미리 정의된 지점들(170)에서 자기장 세기들을 판독하고, 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 위치 정보를 제공하고, 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)은 교정을 수행하기 위해 위치 정보를 이용(즉, 현실 공간으로부터 가상 현실 공간으로 변환)한다.

이에 따라 동일한 타입의 용접 쿠폰(175)의 임의의 부분은 매우 엄격한 허용오차들 내에 있도록 동일한 반복 가능한 방식으로 스탠드(170)의 암(173)을 맞춘다. 그러므로, 특정한 타입의 용접 쿠폰(175)이 교정되면, 유사한 쿠폰들의 반복된 교정은 필수적이지 않은데, 즉, 특정한 타입의 용접 쿠폰(175)의 교정은 1회 이벤트이다. 다르게 말하면, 동일한 타입의 용접 쿠폰들(175)은 교환 가능하다. 교정은, 시뮬레이션이 보다 현실적으로 보이게 하도록, 용접 프로세스 동안 사용자에 의해 지각되는 물리적 피드백이 가상 현실 공간에서 사용자에게 디스플레이되는 것과 매칭한다는 것을 보장한다. 예를 들어, 사용자가 실제 용접 쿠폰(175)의 코너 주위에서 모의 용접 툴(160)의 팁을 미끄러지게 하면, 사용자가 실제 코너 주위에서 팁이 미끄러지는 것을 느끼는 바와 같이 사용자는 팁이 디스플레이 디바이스(200) 상의 가상 용접 쿠폰의 코너 주위에서 미끄러지는 것을 볼 것이다. 본 발명의 실시예에 따라, 모의 용접 툴(160)은 또한 미리 위치된 지그(jig)에 배치되고 알려진 지그(jig) 위치에 기초하여 유사한 방식으로 교정될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, "스마트" 쿠폰들은 시뮬레이터(10)가 미리 정의된 교정 지점 또는 "스마트" 쿠폰의 코너들을 트래킹하도록 허용하는 센서들을 포함할 수 있다. 센서들은 미리 정의된 교정 지점들의 정밀한 위치에서 용접 쿠폰(175) 상에 장착될 수 있다. 그러나, 교정 데이터를 시뮬레이터(10)에 전달하는 임의의 방식이 선택될 수 있다. 이에 따라, 시뮬레이터(10)는 현실 3D 공간에서 "스마트" 쿠폰이 있는 곳을 연속적으로 인지한다. 또한, 라이센싱 키들은(licensing keys)이 용접 쿠폰(175)을 "잠금해제(unlock)"하기 위해 제공될 수 있다. 특정한 용접 쿠폰(175)이 구매되면, 최종 사용자(12a, 12b)가 라이센싱 키를 시뮬레이터(10)에 입력하도록 허용하는 라이센싱 키가 제공될 수 있어서, 그 특정한 용접 쿠폰(175)과 연관되는 소프트웨어 잠금해제한다. 대안적인 실시예에서, 특별한 비 표준 용접 쿠폰들이 부분들의 현실 CAD 도면들에 기초하여 제공될 수 있다.

프로세서 기반 시스템

도 2, 도 4 및 도 10을 이제 참조하면, 위에서 언급된 바와 같이, 시뮬레이터(10)는 가상 용접 환경(15)을 생성하는데 이용되는 코딩된 명령들을 실행하기 위해 프로그래밍 가능한 전자 회로(200)를 포함할 수 있는 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)을 포함한다. 프로그래밍 가능한 전자 회로(200)는 하나 이상의 마이크로프로세서(204)로 구성될 수 있는 하나 이상의 로직 프로세서들(203) 또는 로직 프로세서 기반 시스템들(203)을 포함할 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 프로그래밍 가능한 전자 회로(200)는 아래에서 추가로 논의되는 중앙 처리 장치(들)(CPU) 및 그래픽 처리 장치(들)(GPU)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전자 메모리, 즉 RAM, ROM은 물론 다른 주변 지원 회로와 같은 부가적인 회로가 포함될 수 있다. 전자 메모리는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 가상 용접 환경(15)의 양상들을 렌더링하는데 이용하기 위해 각각이 개별적으로 프로그래밍될 수 있는 CPU 및 GPU 둘 다를 위해 포함될 수 있다는 것이 주의된다. 또한, 프로그래밍 가능한 전자 회로(200)는 하드 디스크 드라이브들, 광학 저장 디바이스들, 플래시 메모리 등과 같은 데이터 저장 디바이스들(300)을 포함하고 활용할 수 있다. 시뮬레이터(10) 내의 디바이스들 간의 또는 상이한 시뮬레이터들(10) 간의 데이터의 전달을 용이하게 하는 또 다른 타입들의 전자 회로가 포함될 수 있다. 이는 예를 들어, 하나 이상의 입력 디바이스들(155), 예를 들어, 공간 트래커 또는 센서로부터 데이터를 수신하거나, 또는 로컬 영역 네트워크들(LAN), 광역 네트워크(WAN) 및/또는 인터넷일 수 있는 하나 이상의 네트워크들을 통해 데이터를 전달하는 것을 포함할 수 있다. 상술된 디바이스들 및 프로세스들은 본질적으로 예시적이며, 제한하는 것으로서 해석되어선 안 된다는 것이 이해될 것이다. 사실상, 임의의 형태의 프로그래밍 가능한 회로, 지원 회로, 통신 회로 및/또는 데이터 저장소가 사운드 엔지니어링 판단을 통해 선택된 바와 같이 본 발명의 실시예들에 통합될 수 있다.

도 10은 시뮬레이터(10)의 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)의 서브시스템 블록도의 예시적인 실시예를 예시한다. 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)은 중앙 처리 장치(CPU)(111) 및 2개의 그래픽 처리 장치(GPU)(115)를 포함할 수 있다. 2개의 GPU들(115)은 실시간 용융 금속 유동성 및 열 흡수 및 소산 특성들을 갖는 용접 퍼들의 가상 현실 시뮬레이션을 제공하도록 프로그래밍될 수 있다.

도 11을 참조하면, 그래픽 처리 장치(GPU)(115)의 블록도가 도시된다. 각각의 GPU(115)는 데이터 병렬 알고리즘의 구현을 지원한다. 본 발명의 실시예에 따라, 각각의 GPU(115)는 2개의 가상 현실 뷰들을 제공할 수 있는 2개의 비디오 출력(118, 119)을 제공한다. 2개의 비디오 출력은 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140)에 라우팅될 수 있어서, 용접공의 시점을 렌더링하며, 또한 제 3 비디오 출력은 관찰자 디스플레이 디바이스(150)에 라우팅될 수 있어서, 예를 들어 용접공의 시점 또는 일부 다른 시점을 렌더링한다. 나머지 제 4 비디오 출력은 예를 들어 프로젝터(projector)에 라우팅되거나 가상 용접 환경(15)을 시뮬레이트하기에 적합한 임의의 다른 목적을 위해 이용될 수 있다. 양자의 GPU들(115)은 동일한 용접 물리학적 계산을 수행할 수 있지만, 그러나 동일한 또는 상이한 시점으로부터 가상 용접 환경(15)을 렌더링할 수 있다. GPU(115)는 계산 통합 디바이스 구조(compute unified device architecture; CUDA)(116) 및 쉐이더(shader)(117)를 포함한다. CUDA(116)는 산업 표준 프로그래밍 언어를 통해 소프트웨어 개발자에 액세스할 수 있는 GPU(115)의 계산 엔진이다. CUDA(116)는 병렬 코어를 포함하며, 또한 본 명세서에서 설명되는 용접 퍼들 시뮬레이션의 물리학적 모델을 작동시키는데 사용된다. CPU(111)는 GPU(115)상의 CUDA(116)에 실시간 용접 입력 데이터를 제공한다. 일 특정한 실시예에서, 쉐이더(117)는 시뮬레이션의 모든 시각자료(visual)를 드로잉 및 적용하는 것을 담당한다. 비드(bead) 및 퍼들 시각자료는 본 명세서에서 추후에 설명되는 웩셀 변위 맵(wexel displacement map)의 상태에 의해 구동된다. 본 발명의 실시예에 따라, 물리학적 모델은 초당 약 30회의 레이트로 작동 및 업데이트한다.

도 12는 시뮬레이터(10)의 기능적 블록도의 예시적인 실시예를 예시한다. 시뮬레이터(10)의 다양한 기능성 블록들은 주로 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)상에서 작동하는 소프트웨어 명령 및 모듈을 통해 실시된다. 시뮬레이터(10)의 다양한 기능성 블록은 물리적 인터페이스(1201), 토치 및 클램프 모델(1202), 환경 모델(1203), 사운드 콘텐츠 기능성(1204), 용접 사운드(1205), 스탠드/테이블 모델(1206), 내부 아키텍처 기능성(1207), 교정 기능성(1208), 쿠폰 모델(1210), 용접 물리학적 특성(1211), 내부 물리학적 조정 툴(트위커(tweaker))(1212), 그래픽 사용자 인터페이스 기능성(1213), 그래픽 기능성(1214), 학생 리포트 기능성(1215), 렌더러(1216), 비드 렌더링(1217), 3D 텍스처(1218), 시각적 큐(cue) 기능성(1219), 스코어링 및 허용오차 기능성(1220), 허용오차 에디터(1221), 및 특수 효과들(1222)를 포함한다.

내부 아키텍처 기능성(1207)은 예를 들어, 파일 로딩, 정보 보유, 스레드(thread) 관리, 물리학적 모델의 턴 온, 및 메뉴 트리거링을 포함하는 시뮬레이터(10)의 프로세스의 더 높은 레벨 소프트웨어 로지스틱스(logistics)를 제공한다. 내부 아키텍처 기능성(1207)은 본 발명의 실시예에 따라 CPU(111)상에서 작동한다. 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 대한 특정한 실시간 입력들은 아크 위치, 건 위치, 얼굴 장착 디스플레이 디바이스 또는 헬멧 위치, 건 온/오프 상태, 및 접촉 형성 상태(예/아니오)를 포함한다.

시뮬레이트된 용접 시나리오 동안, 그래픽화 기능성(1214)은 사용자 성능 파라미터를 수집하며, 또한 그래픽 포맷을 (예를 들어, 관찰자 디스플레이 디바이스(150)상에) 디스플레이하기 위해 사용자 성능 파라미터를 그래픽 사용자 인터페이스 기능성(1213)에 제공한다. 공간 트래커(120)로부터의 트래킹 정보는 그래픽화 기능성(1214) 내로 공급된다. 그래픽화 기능성(1214)은 간단한 분석 모듈(simple analysis module)(SAM) 및 휩/위브 분석 모듈(whip/weave analysis module)(WWAM)을 포함한다. SAM은 용접 파라미터를 비드 테이블에 저장된 데이터에 비교함으로써 용접 이동 각도, 이동 속도, 용접 각도, 위치, 및 작동할 팁(tip)을 포함하는 사용자 용접 파라미터들을 분석한다. WWAM은 다임(dime) 간격, 휩 시간, 및 퍼들 시간을 포함하는 사용자 휩핑 파라미터를 분석한다. 또한, WWAM 은 위브의 폭, 위브 간격, 및 위브 타이밍을 포함하는 사용자 위빙(weaving) 파라미터를 분석한다. SAM 및 WWAM 은 그래픽화를 위해 원(raw) 입력 데이터(예를 들어, 위치 및 배향 데이터)를 기능적으로 재사용 가능한 데이터로 해석한다. SAM 및 WWAM에 의해 분석된 각각의 파라미터에 대해, 허용오차 윈도우(window)는 허용오차 에디터(1221)를 사용하여 비드 테이블 내로 입력된 최적의 또는 이상적인 세팅 지점 주위의 파라미터 제한들에 의해 정의되며, 또한 스코어링 및 허용오차 기능성(1220)이 수행된다.

허용오차 에디터(1221)는 물질 사용, 전기 사용, 및 용접 시간을 근사화하는 용접계(weldometer)를 포함한다. 또한, 임의의 파라미터가 허용오차를 벗어날 때, 용접 단절(즉, 용접 결함)이 발생할 수 있다. 임의의 용접 단절의 상태는 그래픽화 기능성(1214)에 의해 프로세싱되며, 또한 그래픽 사용자 인터페이스 기능성(1213)을 통해 그래픽 포맷으로 제공된다. 이러한 용접 단절은 필릿(fillet) 크기, 열등한 비드 배치, 오목한 비드, 과도한 볼록함(convexity), 언더컷, 다공성(porosity), 불완전한 퓨전, 슬래그 인트랩먼트, 및 과도한 스패터를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라, 단절의 레벨 또는 양은 특정한 사용자 파라미터가 최적의 또는 이상적인 세팅 지점으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 의존한다.

상이한 파라미터 제한들은 예를 들어, 용접 미숙자, 용접 전문가, 및 전시회 직원과 같은 상이한 타입의 사용자를 위해 미리 정의될 수 있다. 스코어링 및 허용오차 기능성(1220)은 특정한 파라미터에 대해 사용자가 최적값(이상치)에 얼마나 가까이 있는지에 의존하여 그리고 용접에 존재하는 단절 또는 결함의 레벨에 의존하여 스코어 숫자를 제공한다. 스코어링 및 허용오차 기능성(1220)으로부터의 및 그래픽 기능성(1214)으로부터의 정보는 강사 및/또는 학생을 위한 성능 리포트를 생성하기 위해 학생 리포트 기능성(1215)에 의해 사용될 수 있다.

시각적 큐 기능성(1219)은 얼굴 장착 디스플레이 디바이스(140) 및/또는 관찰자 디스플레이 디바이스(150) 상에 오버레이되는 컬러들 및 표시자들을 디스플레이함으로써 사용자에 즉각적인 피드백을 제공한다. 위치, 작업할 팁, 용접 각도, 이동 각도, 및 이동 속도를 포함하는 용접 파라미터들(151) 각각에 대한 시각적 큐들이 제공되며, 사용자의 용접 기술의 몇몇 양상이, 미리 정의된 제한들 또는 허용오차들에 기초하여 조정되어야 하는지를 사용자에게 시각적으로 표시한다. 예를 들어, 휩/위브 기술들 및 용접 비드 "다임" 간격에 대한 시각적 큐들이 또한 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 가상 현실 공간에서 용접 퍼들 또는 풀(pool)의 시뮬레이션이 달성되며, 여기서 시뮬레이트된 용접 퍼들은 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 갖는다. 용접 퍼들 시뮬레이션의 핵심은 본 발명의 실시예에 따라 GPU(115)상에서 실행될 수 있는 용접 물리학적 기능성(1211)(물리적 모델로도 알려져 있음)이다. 용접 물리학적 기능성은 동적 유동성/점도, 고형성(solidity), 열 그라디언트(열 흡수 및 소산), 퍼들 웨이크(wake), 및 비드 형상을 정확하게 모델링하기 위해 이중 변위층 기술을 사용하며, 또한 도 14a 내지 도 14c에 대해 본 명세서에서 더욱 상세히 설명된다.

용접 물리학적 기능성(1211)은 가열된 용융 상태 내지 냉각 응고된 상태까지의 모든 상태에서 용접 비드를 렌더링하기 위해 비드 렌더링 기능성(1217)과 통신한다. 비드 렌더링 기능성(1217)은 용접 비드를 가상 현실 공간에서 실시간으로 정확하게 그리고 현실적으로 렌더링하기 위해 용접 물리학적 기능성(1211)(예를 들어, 열, 유동성, 변위, 다임 간격)으로부터의 정보를 사용한다. 3D 텍스처 기능성(1218)은 시뮬레이트된 용접 비드 상에 추가적인 텍스처(예를 들어, 균열, 슬래그, 그레인(grain))를 오버레이하기 위해 비드 렌더링 기능성(1217)에 텍스처 맵을 제공한다. 렌더러 기능성(1216)은 스파크, 스패터, 증기, 아크 글로(arc glow), 연기, 및 언더컷 및 다공성과 같은 임의의 단절을 포함하는 특수 효과 모듈(1222)로부터의 정보를 사용하여 다양한 비 퍼들(non-puddle) 특정 특성을 렌더링하는데 사용된다.

내부 물리학적 조정 툴(1212)은 다양한 용접 물리학적 파라미터가 다양한 용접 프로세스에 대해 정의되고, 업데이트되고, 및 수정되도록 허용하는 수정 툴이다. 본 발명의 실시예에 따라, 내부 물리학적 조정 툴(1212)은 CPU(111)상에서 작동하며, 또한 조정된 또는 업데이트된 파라미터가 GPU(115)에 다운로드된다. 내부 물리학적 조정 툴(1212)을 통해 조정될 수 있는 파라미터들의 타입은 용접 쿠폰과 관련된 파라미터, 용접 쿠폰을 리셋할 필요 없이 프로세스가 변경되도록 허용하는(제 2 패스를 실행하는 것을 허용하는) 프로세스 파라미터, 전체 시뮬레이션을 리셋하지 않고 변경될 수 있는 다양한 글로벌 파라미터, 및 다른 다양한 파라미터를 포함한다.

도 13은 도 1의 가상 트레이닝 시뮬레이터(10)를 사용하여 트레이닝하기 위한 방법(1300)의 실시예의 흐름도이다. 단계(1310)에 있어서, 용접 기술에 따라 용접 쿠폰에 대해 모의 용접 툴을 이동시킨다. 단계(1320)에 있어서, 가상 현실 시스템을 사용하여 3차원 공간에서 모의 용접 툴의 위치 및 배향을 트래킹한다. 단계(1330)에서, 상기 시뮬레이트된 모의 용접 툴로부터 방출된 시뮬레이트된 아크 부근에 시뮬레이트된 용접 퍼들을 형성함으로써, 시뮬레이트된 모의 용접 툴이 시뮬레이트된 용접 쿠폰의 적어도 하나의 시뮬레이트된 표면상에 시뮬레이트된 용접 비드 물질을 증착할 때, 가상 현실 공간에서 모의 용접 툴 및 용접 쿠폰의 실시간 가상 현실 시뮬레이션을 보여주는 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이를 관찰한다. 단계(1340)에 있어서, 디스플레이상에서 시뮬레이트된 용접 퍼들의 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 관찰한다. 단계(1350)에 있어서, 시뮬레이트된 용접 퍼들의 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성의 관찰에 응답하여, 용접 기술 중 적어도 하나의 양상을 실시간으로 수정한다.

방법(1300)은 사용자가 가상 현실 공간에서 용접 퍼들을 어떻게 관찰할 수 있고 또한 실시간 용융 금속 유동성(예를 들어, 점도) 및 열 소산을 포함하는 시뮬레이트된 용접 퍼들의 다양한 특성의 관찰에 응답하여 자신의 용접 기술을 어떻게 수정하는지를 도시하고 있다. 또한, 사용자는 실시간 퍼들 웨이크 및 다임 간격을 포함하는 다른 특성을 관찰하고 그에 응답할 수 있다. 용접 퍼들의 특성에 대한 관찰 및 응답은 대부분의 용접 동작이 실제로 현실에서 어떻게 수행되는지에 관한 것이다. GPU(115)상에서 작동하는 용접 물리학적 기능성(1211)의 이중 변위층 모델링은, 이러한 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성이 정확하게 모델링되고 사용자에게 제공되는 것을 허용한다. 예를 들어, 열 소산은 응고 시간을(즉, 웩셀이 완전히 응고되는데 얼마나 많은 시간이 걸리는지를) 결정한다.

또한, 사용자는 동일한 또는 상이한(예를 들어, 제 2) 모의 용접 툴, 용접 전극 및/또는 용접 프로세스를 사용하여 용접 비드 물질 위로 제 2 패스를 형성할 수 있다. 이러한 제 2 패스 시나리오에 있어서, 시뮬레이트된 모의 용접 툴로부터 방출된 시뮬레이트된 아크 부근에 시뮬레이트된 제 2 용접 퍼들을 형성함으로써, 시뮬레이트된 모의 용접 툴이 시뮬레이트된 제 1 용접 비드 물질과 합쳐지는 시뮬레이트된 제 2 용접 비드 물질을 증착할 때, 시뮬레이션은 가상 현실 공간에 시뮬레이트된 모의 용접 툴, 용접 쿠폰, 및 원래의 시뮬레이트된 용접 비드 물질을 보여준다. 동일한 또는 상이한 용접 툴 또는 프로세스를 사용하는 추가적인 후속의 패스는, 유사한 방식으로 이루어질 수 있다. 임의의 제 2 또는 후속의 패스에서, 이전의 용접 비드 물질은, 본 발명의 임의의 실시예에 따라 이전의 용접 비드 물질, 새로운 용접 비드 물질, 및 가능하게는, 하부의 쿠폰 물질의 조합으로부터 새로운 용접 퍼들이 가상 현실 공간에 형성될 때, 증착된 새로운 용접 비드 물질과 합쳐진다. 이러한 후속의 패스들은 예를 들어, 이전의 패스에 의해 형성된 용접 비드를 수리하기 위해 수행될 수 있으며, 또는 파이프 용접에서 실시되는 것처럼 루트 패스가 실시된 후, 열 패스(heat pass) 및 하나 이상의 갭 클로징(cap closing) 패스를 포함할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따라, 베이스 및 용접 비드 물질은 연강(mild steel), 스테인리스 스틸, 및 알루미늄을 포함하도록 시뮬레이트될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 스테인리스 스틸 물질을 이용한 용접은 실시간 가상 환경에서 시뮬레이트된다. 베이스 금속 모습은 스테인리스 스틸 용접물의 실제적인 표현을 제공하도록 시뮬레이트된다. 시각적 효과의 시뮬레이션은 아크의 컬러를 수용하기 위해 광의 시각적 스펙트럼을 변경하도록 제공된다. 실제적인 사운드는 또한 적절한 작업 거리, 점화 및 속도에 기초하여 시뮬레이트된다. 아크 퍼들 모습 및 증착 모습은 열 영향 구역(heat affected zone) 및 토치 이동에 기초하여 시뮬레이트된다. 용접 비드에 걸쳐서 스캐터링될 수 있는, 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질화물 막들의 찌꺼기 또는 부서진 미립자들의 시뮬레이션이 제공된다. 가열 및 냉각 영향 구역들에 관련된 계산들은 스테인리스 스틸 용접을 위해 맞춤된다. 스패터와 관련되는 단절 동작은 스테인리스 스틸 GMAW 용접의 모습을 보다 근접하고 정확하게 시뮬레이트하기 위해 제공된다.

본 발명의 실시예에 따라, 알루미늄 물질들을 이용한 용접이 실시간 가상 환경에서 시뮬레이트된다. 비드 웨이크는 현실에서 보여지는 모습에 알루미늄 용접의 모습을 근접하게 매칭시키도록 시뮬레이트된다. 베이스 금속 모습은 알루미늄 용접물의 실제적 표현을 표현하도록 시뮬레이트된다. 시각적 효과의 시뮬레이션은 아크의 컬러를 수용하기 위해 광의 시각적 스펙트럼을 변경하도록 제공된다. 광의 계산은 반사율을 생성하도록 제공된다. 열 및 냉각 영향 구역들에 관련된 계산들은 알루미늄 용접을 위해 맞춤된다. 산화의 시뮬레이션은 실제적인 "세정 동작"을 생성하기 위해 제공된다. 실제적인 사운드는 또한 적절한 작업 거리, 점화 및 속도에 기초하여 시뮬레이트된다. 아크 퍼들 모습 및 증착 모습은 열 영향 구역 및 토치 이동에 기초하여 시뮬레이트된다. 알루미늄 와이어의 모습은 실제적이고 적절한 모습을 제공하기 위해 GMAW 토치에서 시뮬레이트된다.

본 발명의 실시예에 따라, GTAW 용접이 실시간 가상 환경에서 시뮬레이트된다. 유량, 펄싱 주파수, 펄스 폭, 아크 전압 제어, AC 균형 및 출력 주파수제어를 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)하는 GTAW 용접을 위한 동작 파라미터의 시뮬레이션이 제공된다. 용접 소비재의 퍼들 "스플래시(splash)" 또는 침적(dipping) 기술 및 용융의 시각적 표현이 또한 시뮬레이트된다. 또한, 용접 퍼들에서 자열(autogenous)(필러 금속이 없음) 및 필러 금속 용접 동작들을 갖는 GTAW의 표현은 시각적으로 그리고 청각적으로 랜더링된다. 탄소 스틸, 스테인리스 스틸, 알루미늄 및 크롬 몰리(Chrome Moly)를 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)하는 부가적인 필러 금속 변동들의 구현은 시뮬레이트될 수 있다. 외부 발 페달(external foot pedal)의 선택 가능한 구현이 용접 동안 동작을 위해 제공될 수 있다.

모델링을 위한 엔진

도 14a 내지 도 14b는 본 발명의 실시예에 따라 용접 엘리먼트(웩셀) 변위 맵(1420)의 개념을 도시하고 있다. 도 14a는 평탄한 상부 표면(1410)을 갖는 평탄한 용접 쿠폰(1400)의 측면도를 도시하고 있다. 용접 쿠폰(1400)은 현실에서 예를 들어 플라스틱 부분으로서 존재하며, 또한 가상 현실 공간에서 시뮬레이트된 용접 쿠폰으로서 존재한다. 도 14b는 웩셀 맵(1420)을 형성하는 용접 엘리먼트("웩셀"로 불림)의 그리드 또는 어레이로 분해되는 시뮬레이트된 용접 쿠폰(1400)의 상부 표면(1410)의 표현을 도시한다. 각각의 웩셀(예를 들어, 웩셀(1421))은 용접 쿠폰의 표면(1410)의 작은 부분을 형성한다. 웩셀 맵은 표면 분해능(resolution)을 정의한다. 교환 가능한 채널 파라미터 값이 각각의 웩셀에 할당되어, 각각의 웩셀의 값은 시뮬레이트된 용접 프로세스 동안 가상 현실 용접 공간에서 실시간으로 동적으로 변경되는 것을 허용한다. 변경 가능한 채널 파라미터 값은 채널 퍼들(용융 금속 유동성/점도 변위), 열(열 흡수/소산), 변위(고형 변위), 및 여분(다양한 여분의 상태, 예를 들어, 슬래그, 그레인, 균열, 버진 금속(virgin metal))에 대응한다. 이들 변경 가능한 채널은 여기에서 퍼들, 열, 여분, 및 변위를 위한 PHED로서 각각 지칭된다.

도 15는 도 1 및 도 2의 시뮬레이터(10)에서 시뮬레이트된 도 14의 평탄한 용접 쿠폰(1400)의 용접 공간 및 쿠폰 공간의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 지점(O, X, Y, Z)은 국부적인 3D 쿠폰 공간을 정의한다. 일반적으로, 각각의 쿠폰 타입은 3D 쿠폰 공간으로부터 2D 가상 현실 용접 공간으로 맵핑을 정의한다. 도 14의 웩셀 맵(1420)은 가상 현실에서 용접 공간을 맵핑하는 값의 2차원 어레이이다. 사용자는 도 15에 도시된 바와 같이 지점(B)으로부터 지점(E)까지 용접한다. 지점(B)으로부터 지점(E)까지의 궤도선은 도 15에 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 둘 다에 도시된다.

각각의 타입의 쿠폰은 웩셀 맵에서 각각의 위치에 대한 변위의 방향을 한정한다. 도 15의 평탄한 용접 쿠폰에 대해, 변위의 방향은 웩셀 맵에서(즉, Z 방향에서) 모든 위치와 동일하다. 웩셀 맵의 텍스처 좌표는 맵핑을 명확하게 하기 위해 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 모두에서 S, T로서 도시된다(때로는 U, V 로 지칭된다). 웩셀 맵은 용접 쿠폰(1400)의 직사각형 표면(1410)으로 맵핑되고 이를 표현한다.

도 16은 시뮬레이터(10)에서 시뮬레이트된 코너 용접 쿠폰(1600)의 용접 공간 및 쿠폰 공간의 예시적인 실시예를 예시한다. 코너 용접 쿠폰(1600)은 도 16에 도시된 바와 같이 2D 용접 공간으로 맵핑된 3D 쿠폰 공간에 2개의 표면(1610, 1620)을 갖는다. 다시, 지점(O, X, Y, Z)은 국부적인 3D 쿠폰 공간을 형성한다. 웩셀 맵의 텍스처 좌표는 맵핑을 명확하기 위해 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 둘 다에서 S, T로 도시된다. 사용자는 도 16에 도시된 바와 같이 지점(B)으로부터 지점(E)까지 용접한다. 지점(B)으로부터 지점(E)까지의 궤도선은 도 16의 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 둘 다에 도시된다. 그러나, 변위의 방향은 3D 쿠폰 공간에 도시된 바와 같이 선 X'-O'를 향하여, 반대편 코너를 향하고 있다.

도 17은 시뮬레이터(10)에서 시뮬레이트된 파이프 용접 쿠폰(1700)의 용접 공간 및 쿠폰 공간의 예시적인 실시예를 예시한다. 파이프 용접 쿠폰(1700)은 2D 용접 공간으로 맵핑된 3D 쿠폰 공간에 굴곡된 표면(1710)을 갖는다. 지점들(O, X, Y, Z)은 다시 한번 국부적인 3D 쿠폰 공간을 형성한다. 웩셀 맵의 텍스처 좌표는 맵핑을 명확하기 위해 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 둘 다에서 S, T로 도시된다. 최종 사용자(12)는 도 17에 도시된 바와 같이 지점(B)으로부터 지점(E)까지 용접한다. 지점(B)으로부터 지점(E)까지의 궤도 곡선 및 선은 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간에 각각 도시된다. 변위의 방향은 선 Y-O로부터 멀어지게(즉, 파이프의 중심으로 멀어짐) 된다. 도 18은 도 17의 파이프 용접 쿠폰(1700)의 예시적인 실시예를 예시한다. 파이프 용접 쿠폰(1700)은 비 철, 비 전도성 플라스틱으로 이루어지고, 루트 조인트(1703)를 형성하기 위해 합쳐지는 2개의 파이프 조각들(1701 및 1702)을 시뮬레이트한다. 스탠드(170)의 암(173)에 부착하기 위한 부착 조각(1704)이 또한 도시된다.

텍스처 맵이 기하학적 형상의 직사각형 표면 영역에 맵핑될 수 있는 유사한 방식으로, 용접 가능한 웩셀 맵이 용접 쿠폰의 직사각형 표면에 맵핑될 수 있다. 용접 가능한 맵의 각각의 엘리먼트는 화상의 각각의 엘리먼트가 픽셀(화상 엘리먼트의 축약)로 불리는 것과 동일한 의미에서 웩셀로 지칭된다. 픽셀은 컬러(예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 등)를 정의하는 정보의 채널을 포함한다. 웩셀은 가상 현실 공간에서 용접 가능한 표면을 정의하는 정보(예를 들어, P, H, E, D)의 채널을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따라, 웩셀의 포맷은 4개의 부유(floating) 지점 개수를 포함하는 채널 PHED(퍼들, 열, 여분, 변위)로서 요약된다. 여분의 채널은 예를 들어 웩셀 위치에 임의의 슬래그가 있는지 또는 없는지의 여부와 같은 웩셀에 대한 논리적인 정보를 저장하는 비트의 세트로서 취급된다. 퍼들 채널은 웩셀 위치에서 임의의 액화된 금속을 위한 변위값을 저장한다. 변위 채널은 웩셀 위치에서 응고된 금속을 위한 변위값을 저장한다. 열 채널은 웩셀 위치에서 열의 크기를 제공하는 값을 저장한다. 이 방법으로, 쿠폰의 용접 가능한 부분은 용접된 비드, 액체 금속으로 인한 희미한(shimmering) 표면 "퍼들", 열로 인한 컬러 등을 나타낼 수 있다. 이 모든 효과는 용접 가능한 표면에 적용된 픽셀 쉐이더 및 정점(vertex)에 의해 달성된다.

본 발명의 실시예에 따라, 변위 맵 및 입자들이 서로 상호작용하고 변위 맵과 충돌하는 입자 시스템이 사용된다. 입자는 가상의 동적 유체 입자이며, 또한 용접 퍼들의 액체 행동을 제공하지만, 그러나 직접적으로 렌더링되지 않는다(즉, 시각적으로 직접적으로 보이지 않는다). 대신에, 변위 맵 상의 입자 효과만 시각적으로 보여진다. 웩셀에 입력된 열은 입자 가까이의 이동에 영향을 준다. 퍼들 및 변위를 포함하는 용접 퍼들을 시뮬레이트할 때에 포함되는 2개의 타입의 변위가 있다. 퍼들은 "일시적"이며 오직 입자 및 열이 제공되는 한 지속된다. 변위는 "영구적"이다. 퍼들 변위는 급속히 변경되는(예를 들어, 희미해지는) 용접의 액체 금속이며, 또한 변위의 "상부에 있는" 것으로 생각될 수 있다. 입자는 가상 표면 변위 맵의 일부(즉, 웩셀 맵)를 오버레이한다. 변위는 초기 베이스 금속 및 응고된 용접 비드 모두를 포함하는 영구적인 고체 금속을 표현한다.

본 발명의 실시예에 따라, 가상 현실 공간에서 시뮬레이트된 용접 프로세스는 하기와 같이 작용한다. 입자는 얇은 콘(cone)의 이미터(emitter)(시뮬레이트된 모의 용접 툴(mock welding tool)(160)의 이미터)로부터 흐른다. 입자는 표면이 웩셀 맵에 의해 형성되는 시뮬레이트된 용접 쿠폰의 표면과 먼저 접촉한다. 입자는 서로 그리고 웩셀 맵과 상호작용하며, 또한 실시간으로 축적된다. 웩셀이 이미터에 가까울수록 더 많은 열이 추가된다. 열은 아크 지점으로부터의 거리 및 열이 아크로부터 입력되는 시간의 양에 의존하여 모델링된다. 임의의 시각자료(예를 들어, 색깔, 등)가 열에 의해 구동된다. 용접 퍼들은 충분한 열을 갖는 웩셀을 위해 가상 현실 공간에서 드로잉 또는 렌더링된다. 충분히 뜨거운 곳은 어디에서나, 웩셀 맵이 액화되어, 퍼들 변위가 그 웩셀 위치를 위해 "상승"하도록 유발시킨다. 퍼들 변위는 각각의 웩셀 위치에서 "가장 높은" 입자를 샘플링함으로써 결정된다. 이미터가 용접 궤도를 따라 이동할 때, 웩셀 위치는 차갑게 남겨진다. 열이 웩셀 위치로부터 특정한 레이트로 제거된다. 냉각 문턱값에 도달될 때, 웩셀 맵이 응고된다. 따라서, 퍼들 변위가 점진적으로 변위(즉, 응고된 비드)로 변환된다. 추가된 변위는 전체적인 높이가 변하지 않도록 제거된 퍼들과 동일하다. 입자 수명은 응고가 완료될 때까지 지속하도록 수정 또는 조정된다. 시뮬레이터(10)에서 모델링된 임의의 입자 특성은 끌림/반발, 속도(열과 관련된), 댐프닝(dampening)(열 소산과 관련된), 방향(중력과 관련된)을 포함한다.

도 19a 내지 도 19c는 시뮬레이터(10)의 이중 변위(변위 및 입자) 퍼들 모델의 개념의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 용접 쿠폰은 적어도 하나의 표면을 갖는 가상 현실 공간에서 시뮬레이트된다. 용접 쿠폰의 표면은 가상 현실 공간에서 고형 변위층 및 퍼들 변위층을 포함하는 이중 변위층으로서 시뮬레이트된다. 퍼들 변위층은 고형 변위층을 수정할 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 바와 같이, "퍼들"은 퍼들값이 입자의 존재로 인해 상승되는 웩셀 맵의 영역에 의해 정의된다. 샘플링 프로세스가 도 19a 내지 도 19c에 도시된다. 웩셀 맵의 섹션은 7개의 인접한 웩셀을 갖는 것으로 도시된다. 전류 변위값은 주어진 높이(즉, 각각의 웩셀에 대한 주어진 변위)의 음영이 없는(un-shaded) 직사각형 바(1910)에 의해 도시된다. 도 19a에 있어서, 입자(1920)는 전류 변위 레벨과 충돌하는 음영이 없는 둥근 점(dot)으로서 도시되었으며, 또한 쌓여있다. 도 19b에 있어서, "가장 높은" 입자 높이(1930)가 각각의 웩셀 위치에서 샘플링된다. 도 19c에 있어서, 음영진(shaded) 직사각형(1940)은 입자의 결과로서 얼마나 많은 퍼들이 변위의 상부에 추가되었는지를 도시하고 있다. 용접 퍼들 높이는 퍼들이 열에 기초하여 특정한 액화 레이트로 부가되기 때문에, 샘플링된 값으로 즉시 설정되지 않는다. 도 19a 내지 도 19c에는 도시되지 않았지만, 퍼들의 위치를 정확히 취하기 위해, 응고 프로세스를 점진적으로 축소되는 퍼들(어두운 직사각형) 및 아래로부터 점진적으로 커지는 변위(음영이 없는 직사각형)로 시각화하는 것이 가능하다. 이 방식으로, 실시간 용융 금속 유동성 특징이 정확하게 시뮬레이트된다. 사용자가 특정한 용접 프로세스를 실시할 때, 사용자는 가상 현실 공간에서 실시간으로 용접 퍼들의 용융 금속 유동성 특성 및 열 소산 특성을 관찰할 수 있으며, 또한 자신의 용접 기술을 조정 또는 유지하기 위해 이 정보를 사용할 수 있다.

용접 쿠폰의 표면을 나타내는 웩셀의 수는 고정된다. 또한, 유동성을 모델링하기 위해 시뮬레이션에 의해 발생된 퍼들 입자는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 일시적이다. 따라서, 일단 시뮬레이터(10)를 사용하여 시뮬레이트된 용접 프로세스 동안 가상 현실 공간에 초기 퍼들이 발생되면, 웩셀에 퍼들 입자를 더한 수는 상당히 일정하게 유지하려는 경향을 갖는다. 이것은 용접 프로세스 동안 프로세싱된 웩셀의 수가 고정되고, 퍼들 입자가 생성되고 또한 유사한 레이트로 "소멸"되므로(즉, 퍼들 입자는 일시적임) 용접 프로세스 동안 존재하고 프로세싱되는 퍼들 입자의 수는 상대적으로 일정한 비율을 유지하려는 경향을 갖기 때문이다. 따라서, 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)의 프로세싱 부하는 시뮬레이트된 용접 세션 중 상대적으로 일정하게 유지된다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 퍼들 입자는 용접 쿠폰의 표면 내에 또는 아래서 발생될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 변위는 버진(즉, 용접되지 않은) 쿠폰의 본래의 표면 변위에 대해 포지티브로 또는 네거티브로서 모델링될 수 있다. 이 방식으로, 퍼들 입자가 용접 쿠폰의 표면상에 축적될 뿐만 아니라, 용접 쿠폰을 관통할 수도 있다. 그러나, 웩셀의 수는 여전히 고정되어 있으며 또한 생성 및 소멸되는 퍼들 입자는 여전히 상대적으로 일정하다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 입자를 모델링하는 대신에, 퍼들의 유동성을 모델링하기 위해 더 많은 채널을 갖는 웩셀 변위 맵이 제공될 수 있다. 또는 입자를 모델링하는 대신에, 밀집된 복셀(voxel) 맵이 모델링될 수 있다. 또는 웩셀 맵 대신에, 샘플링되고 그리고 사라지지 않는 입자만 모델링될 수 있다. 그러나, 이러한 대안적인 실시예는 시스템에 대해 상대적으로 일정한 프로세싱 부하를 제공할 수 없다.

또한, 본 발명의 실시예에 따라, 물질 소멸시킴으로써 블로우스루(blowthrough) 또는 키홀(key-hole)이 시뮬레이트된다. 예를 들어, 사용자가 현실에서 아크를 동일한 위치에서 너무 오래 유지하면, 물질이 타버려서 구멍을 유발시킨다. 이러한 현실 용락(burnthrough)은 웩셀 대량파괴(decimation) 기술에 의해 시뮬레이터(10)에서 시뮬레이트된다. 웩셀에 의해 흡수된 열의 양이 시뮬레이터(10)에 의해 너무 큰 것으로 결정되면, 그 웩셀은 플래그되거나 또는 타버린 것으로 지정될 수 있고 그러한 것으로 렌더링될 수 있다(예를 들어, 구멍으로서 렌더링된다). 그러나, 후속적으로, 초기에 타버린 후에 물질이 다시 추가되는 임의의 용접 프로세스(예를 들어, 파이프 용접)를 위해 웩셀 재구성이 발생할 수 있다. 일반적으로, 시뮬레이터(10)는 웩셀 대량파괴(물질을 소멸시킴) 및 웩셀 재구성(즉, 물질을 다시 추가함)을 시뮬레이트한다.

또한, 루트 패스 용접에서 물질을 제거하는 것이 시뮬레이터(10)에서 적절히 시뮬레이트된다. 예를 들어, 현실에서, 루트 패스의 연마는 후속의 용접 프로세스 전에 실행될 수 있다. 유사하게, 시뮬레이터(10)는 가상 용접 조인트로부터 물질을 제거하는 연마 패스를 시뮬레이트할 수 있다. 제거된 물질은 웩셀 맵상에서 네거티브 변위로서 모델링된다는 것이 인지될 것이다. 즉, 연마 패스는 변경된 비드 윤곽에서 초래되는 시뮬레이터(10)에 의해 모델링되는 물질을 제거한다. 연마 패스의 시뮬레이션은 자동적일 수 있으며, 이것은 시뮬레이터(10)가 미리 결정된 두께의 물질을 제거하는 것으로 말할 수 있으며, 이것은 루트 패스 용접 비드의 표면에 대해 각각일 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서, 모의 용접 툴(160) 또는 다른 입력 장치의 작동에 의해 작동 및 정지되는 실제 연마 툴, 또는 연마기(grinder)가 시뮬레이트될 수 있다. 연마 툴은 현실 연마기와 유사하게 시뮬레이트될 수 있음을 주의해야 한다. 이 실시예에 있어서, 사용자는 그 이동에 응답하여 물질을 제거하기 위해 루트 패스를 따라 연마 툴을 다룬다. 사용자는 너무 많은 물질을 제거하는 것이 허용될 수 있음이 이해될 것이다. 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로, 구멍 또는 열쇠 구멍 또는 다른 결함(전술한)은 사용자가 너무 많은 물질을 "연마(grinding away)"시켜 버리면 나타날 수 있다. 여전히, 사용자가 너무 많은 물질을 제거하는 것을 방지하기 위해 또는 너무 많은 물질이 제거되었을 때를 표시하기 위해 엄격한 제한 또는 정지가 구현, 즉, 프로그래밍될 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 비 시각적인 "퍼들"에 추가하여, 또한 시뮬레이터(10)는 본 발명의 실시예에 따라 아크, 화염, 및 스파크 효과를 표현하기 위해 3개의 다른 타입의 시각적 입자를 사용하고 있다. 이들 타입의 입자는 임의의 타입의 다른 입자와 상호작용하는 것이 아니라, 오직 변위 맵과만 상호작용한다. 이들 입자는 시뮬레이트된 용접 표면과 충돌하지만, 이들은 서로 상호작용하지 않는다. 오직 퍼들 입자만이 본 발명의 실시예에 따라 서로 상호작용한다. 스파크 입자의 물리학적 특성은 스파크 입자가 주위에서 튀고 또한 가상 현실 공간에서 작열하는(glowing) 점으로서 렌더링되도록 셋업된다.

아크 입자의 물리학적 특성은 아크 입자가 시뮬레이트된 쿠폰의 표면 또는 용접 비드를 타격하고 그리고 잠시 머무르도록 세팅된다. 아크 입자는 가상 현실 공간에서 큰 흐릿한 청색-백색 점으로서 렌더링된다. 이것은 임의의 종류의 시각적 영상을 형성하도록 중첩된 이런 많은 점들을 취한다. 최종 결과는 청색 에지를 갖는 백색의 작열하는 후광(nimbus)이다.

화염 입자의 물리학적 특성은 상향으로 느리게 상승하는 것으로 모델링된다. 화염 입자는 중간 크기의 흐릿한 적색-황색 점으로서 렌더링된다. 이것은 임의의 종류의 시각적 영상을 형성하도록 중첩된 이런 많은 점들을 취한다. 최종 결과는 상향으로 상승하고 희미해지는 적색 에지를 갖는 오렌지색-적색 화염의 방울이다. 다른 타입의 비 퍼들 입자가 본 발명의 다른 실시예에 따라 시뮬레이터(10)에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 스모크 입자는 화염 입자와 유사한 방식으로 모델링 및 시뮬레이트될 수 있다.

시뮬레이트된 시각화의 마지막 단계는 GPU(115)의 쉐이더(117)에 의해 제공된 픽셀 쉐이더 및 정점에 의해 처리된다. 정점 및 픽셀 쉐이더는 표면 컬러 및 열 등으로 인해 바뀐 반사율뿐만 아니라 퍼들 및 변위를 적용한다. 여기에서 초기에 논의된 바와 같이 PHED 웩셀 포맷의 여분의(E) 채널은 웩셀 당 사용된 모든 여분의 정보를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라, 여분의 정보는 비 버진 비트(진실=비드, 거짓=버진 스틸(virgin steel)), 슬래그 비트, 언더컷 값(이 웩셀에서 언더컷의 양이며, 0은 언더컷이 없는 것과 동일함), 다공성 값(이 웩셀에서 다공성의 양이며, 0은 다공성이 없는 것과 동일함), 및 비드가 응고되는 시간을 인코딩하는 비드 웨이크 값을 포함한다. 버진 스틸, 슬래그, 비드, 및 다공성을 포함하는 상이한 쿠폰 시각자료와 관련된 영상 맵의 세트가 있다. 이들 영상 맵은 범프(bump) 맵핑 및 텍스처 맵핑 모두를 위해 사용된다. 이들 영상 맵의 블렌딩의 양은 본 명세서에서 설명되는 다양한 플래그 및 값에 의해 제어된다.

비드 웨이크 효과는 1D 영상 맵 및 비드의 주어진 비트가 응고되는 시간을 인코딩하는 웩셀 당 비드 웨이크 값을 사용하여 달성된다. 일단 뜨거운 퍼들 웩셀 위치가 "퍼들"로 지칭하기에 더 이상 충분히 뜨겁지 않다면, 그 위치에서 시간이 절약되며 또한 "비드 웨이크"로 지칭된다. 최종 결과는, 비드가 놓여졌던 방향을 묘사하는 그의 고유 모습을 비드에 제공하는 "리플(ripple)"을 드로잉하기 위해, 쉐이더 코드가 1D 텍스처 맵을 사용할 수 있는 것이다. 본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 시뮬레이터(10)는 시뮬레이트된 용접 퍼들이 용접 궤도를 따라 이동될 때, 가상 현실 공간에서 시뮬레이트된 용접 퍼들의 실시간 유동성 응고 천이(transition)로부터 발생하는 실시간 용접 비드 웨이크 특성을 갖는 용접 비드를 시뮬레이트 및 디스플레이할 수 있다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 시뮬레이터(10)는 사용자가 용접 머신을 어떻게 수리할지를 가르칠 수 있다. 예를 들어, 시스템의 수리 모드는 사용자가 시스템을 올바르게(예를 들어, 올바른 가스 유량, 연결되는 올바른 전력 코드 등) 셋업하는 것을 보장하도록 훈련시킬 수 있다. 본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따라, 시뮬레이터(10)는 용접 세션(또는 용접 세션의 적어도 일부, 예를 들어, N 프레임)을 기록 및 재생할 수 있다. 비디오의 프레임을 스크롤하기 위해 트랙 볼이 제공될 수 있어서, 사용자 또는 강사가 용접 세션을 분석할 수 있다. 선택 가능한 속도로(예를 들어, 완전 속도로, 절반 속도로, 1/4 속도로) 재생(playback)이 또한 제공될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 분할 스크린 재생이 제공될 수 있어서, 2개의 용접 세션이 예를 들어, 관찰자 디스플레이 디바이스(150) 상에서 나란히 관찰되는 것을 허용한다. 예를 들어, 비교 목적을 위해 "열등한" 용접 세션 옆에 "양호한" 용접 세션이 관찰될 수 있다.

자동화된 용접은 또한 본 발명의 양상이다. 자동화된 용접의 일 예시적인 예는 종종 다양한 타입들의 물질의 튜브들 또는 파이프들의 접합을 위해 이용되는 오비탈 용접(orbital welding)이다. 예를 들어, TIG(GTAW) 용접 토치는 자동화된 기계 시스템에 의해 함께 용접되도록 파이프의 궤도를 돌게 하는데 이용될 수 있다. 도 20은 오비탈 용접 환경에서 이용되는 바와 같은 오비탈 용접 시스템의 예시적인 실시예를 예시한다. 오비탈 용접 시스템은 파이프들 또는 튜브들 주위를 이동하는 용접 트랙터, 용접 전원 및 제어기 및 운용자 제어를 제공하는 펜던트를 포함한다. 도 21은 용접될 2개의 파이프들에 동작 가능하게 연결되는 바와 같은 도 20의 오비탈 용접 시스템의 용접 트랙터(2010)를 도시한다. 도 22는 도 20의 오비탈 용접 시스템의 전원 및 제어기(2020)를 도시하고, 도 23은 도 20의 오비탈 용접 시스템의 펜던트(2030)를 도시한다.

위의 논의가 오비탈 용접을 포함하는 프로세스들의 가상 현실 시뮬레이션에 집중하였지만, 본 발명의 실시예들은 그 양상들로 제한되지 않으며, 사용자 정의된 셋업에 따라 이루어지는 용접들과 연관되는 실제 셋업 및 성능 특성들의 표시 및 피드백 양상들을 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, GTAW/GMAW 용접은, 운용자가 이 프로세스의 실시를 위해 이용 가능한 제어들을 이해하는 것을 보장하기 위한 트레이닝을 요구한다. 오비탈 용접 시스템들과 연관되는 자동화는, 머신이 용접을 행하기 때문에 트레이닝의 필요성을 제거한다는 오해가 있다. 자동화된 오비탈 용접은, 운용자가 용접 및 TIG 비드들을 제어하기 위한 고유한 셋업 및 구현 기술 모두를 이해하는 것을 보장하기 위한 트레이닝을 요구한다. 이는 에러 보정, 더 큰 직경의 파이프 용접, 원격 카메라들의 활용 및 적절한 오류 평가 및 보정을 포함한다. 트레이닝 프로그램들은 양호한 용접 상황, 불량한 용접 상황 및 각각을 수행하고, 이에 반응하거나 또는 이를 보정하기 위한 매커니즘을 가르치는데 일관되지 않고 불충분한 커버리지를 제공한다. 충분한 배경 및/또는 산업 지식 및 경험을 가진 이러한 타입의 틈새 솔루션(niche solution)을 위한 강사들은 찾기 어렵다. 인증된 강사들에 의해 가르쳐지는 품질 트레이닝을 통해서만이 오비탈 용접 장비의 운용자들은 오늘날의 용접 환경에서 엄격한 수락 가능한 기준들을 충족하는데 필요한 복잡한 기술들을 습득할 수 있다. 부가적으로 긴 용접 조인트들을 갖는 대형 둘레 프로젝트들 상에서, 주의 및 집중을 유지하는 어려움은 상당한 문제들을 나타낸다.

GTAW 프로세스에서, 전자 아크는 비 소비재 텅스텐 전극과 워크피스 간에 유지된다. 전극은 아크의 열을 지원하고, 워크피스의 금속은 용융되고 용접 퍼들을 형성한다. 전극 및 워크피스의 용융된 금속은 대기의 산소에 대해 보호되어야만 하여, 통상적으로 실드 가스(shielding gas)로서 아르곤과 같은 불활성 가스를 이용한다. 필러 금속의 부가가 이용되는 경우, 필러 와이어가 용접 퍼들에 공급될 수 있고, 여기서 이것은 전자 아크에 의해 전달되는 에너지에 의해 용융된다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 자동화된 용접, 선택된 용접 파라미터 조합들에 기초한 용접 단절의 식별, 및 다양한 파라미터들의 상호작용 및 자동화된 용접에 관련되는 적절한 용어 및 시각적 엘리먼트를 통한 용접 품질에 관한 그들의 영향을 이해하기 위해 사용자 스크린들의 이용을 통한 파라미터들의 운용자 선택들 및 결함들의 수정에 관하여, 펜던트(실제 또는 가상) 또는 원격 제어를 이용하여 GTAW/GMAW 자동화 용접 동작의 관찰에 관련되는 기술을 포함하는 가상 현실 용접 시스템이 제공된다.

가상 환경의 오비탈 GTAW 트레이닝을 구현함으로써, 다수의 이슈들이 다루어질 수 있다. 예를 들어, 오비탈 용접의 경험 및 산업은 개발 회사의 지식에 기초하고, 그에 따라 일관되고 가상 환경에서 소프트웨어 업그레이드에 의해 쉽게 행해지는 이용 가능한 최근의 기술 및 표준으로 업데이트된다. 강사는 프로그램에 대한 조력자가 되고, 오비탈 GTAW 전문가가될 필요는 없다. 경로 팔로잉 큐들(path following cues) 또는 시각적 오버레이들과 같은 부가적인 트레이닝 도움들이 가상 환경의 트레이닝의 전달을 개선한다. 구식이 될 수 있는 오비탈 GTAW 장비는 구매될 필요가 없다. 가상 현실 시스템은 1대1 트레이닝 환경 또는 교실 타입 세팅에서 이용될 수 있다.

가상 프레임워크의 이용은 하나의 트레이닝 디바이스를 이용하여 다수의 펜던트들이 시뮬레이트되도록 허용한다. 가상 현실로 오비탈 GTAW를 구현하는데 있어, 펜던트는 물리적 디바이스로서, 또는 가상 펜던트로서 이루어질 수 있다. 물리적 디바이스의 경우, 학생은 제어들(controls)과 상호작용하고, 제어에 대한 "느낌"을 받을 수 있다. 제어들이 터치 스크린 상에서 이용 가능하고 상호작용되는 가상 펜던트의 경우, 사용자는, 이들이 고객맞춤(customize)되든지 또는 기업체 의존적인지 간에, 제어에 대한 다양한 펜던트들을 쉽게 선택할 수 있다. 가상 펜던트는 또한 그의 산업 레벨(현실 작업 경험을 반영함)에 기초한 이용 가능한 학습 레벨들 또는 제어들에 의존하여 상이한 타입들의 제어들 또는 레벨들이 학생에 의한 이용에 대해 가능하게 되도록 허용한다. 종래의 트레이닝과 달리, 장비에 대한 손상 또는 시간 소모적인 셋업 없이 사용자에게 보다 상세하고 완전한 경험을 제공하는 랜덤화된 결함들(예를 들어, 와이어 네스팅(wire nesting))이 구현될 수 있다.

학습 상호작용의 부분은 조인트, 준비, 물질 타입 등에 기초한 적절한 용접 파라미터들의 이해이다. 실시예에 따라, 가상 현실에서, 이론 가능한 스크린들(theory enabled screens)은 적절한 선택을 내리도록 하는 지식을 사용자에게 유도하도록 인에이블될 수 있다. 부가적인 스크린들 또는 테이블들은, 무엇을 입력할지에 관한 지식을 사용자에게 유도하도록 인에이블될 수 있지만, 잘못된 선택이 선택될 때 적절한 선택이 식별되는 것과 더불어 무엇이 선택되었고 그것이 왜 올바르지 않은지를 강조하도록 또한 인에이블될 수 있다. 이러한 타입의 지능형 에이전트는, 학생이 올바르지 않게 수행하지 않고, 최종 결과, 긍정적 강화(positive reinforcement) 및 키(key)가 되는 학습에 의해 좌절되지 않는다는 것을 보장할 수 있다. 본 발명의 실시예는 또한 시스템 또는 강사가 사용자의 지식을 시험하고 개별 사용자의 사각지대에 대한 트레이닝 커리큘럼 및 테스트를 적응시키도록 허용할 것이다. 본 발명의 실시예는 인공 지능(AI) 및 학습 관리 시스템(LMS)을 이용하여 필요한 영역들의 가르침을 돕고, 지식을 강화하고 학습 도움을 제공한다.

셋업 파라미터들은 불활성 가스(예를 들어, 아르곤, 헬륨); 아크 점화; 용접 전류(예를 들어, 펄스식 대 비펄스식); 용접의 종료시에 크레이터링(cratering)을 방지하기 위한 다운슬롭프 기능성(downslope functionality); 와이어 피드 특성(예를 들어, 펄스식 파형들); 와이어 직경 선택; 아크 전압; 전극과 워크피스 간의 거리; 용접 발진 제어; 원격 제어; 일반적으로 통합된 폐 루프 물 냉각 회로의 냉각 특성; 및 용접 사이클 프로그램(종종 4개의 축들을 가짐) 등을 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)할 수 있다.

용접의 검사 및 리뷰는 학습 프로세스에 대한 다른 양상이다. 학생은 용접을 리뷰하고 무엇이 올바르고 틀렸는지를 식별하고, 이러한 선택들에 기초하여 그들이 옳았는지를 식별하기 위한 스코어를 수신하고 추가로 산업 기준들에 기초하여 무엇이 옳은지 또는 틀리는지에 관한 입력을 수신할 수 있다. 이는 이들 상황들을 어떻게 올바르게 하는지를 식별하기 위해 추가로 강화될 수 있다. 예를 들어, 올바른 암페어 및 속도(식별됨)를 통해, 용접은 특정한 산업 표준에 기초하여 양호한 용접일 수 있다.

위에서 설명된 바와 같이, 가상 현실 용접에서 입력 선택을 위한 물리적 교육 펜던트 또는 핸드헬드 제어 디바이스가 제공될 수 있다. 대안적으로, 가상 현실 용접을 위한 제어 입력 선택을 위한 가상 교육 펜던트 디바이스가 제공될 수 있다. 학생 학습 레벨 또는 산업 역할 의존성인 핸드헬드 또는 가상 디바이스와의 상호작용들이 디바이스 상에서 가능케 될 수 있다. 사용자에 기초하여 제어들 또는 상호작용들을 제한한 것은, 일 실시예에 따라 학습 목적들을 개선하거나 산업 역할 상호작용들을 강화하기 위해 제공될 수 있다.

시각적, 청각적 또는 물리적 변경들에 기초한 교육 상호작용 또는 반응들은 사용자가 적절한 셋업 또는 에러 복구를 인지하는 것을 보장하기 위해 제공될 수 있다. 또한, 시각적, 청각적 또는 물리적 변경들에 기초한 교육 상호작용 또는 반응들은, 이루어지는 환경 또는 용접 특정 변경들에 기초하여 필요한 제어들의 적절한 변경들을 사용자가 인지하는 것을 보장하도록 제공될 수 있다. 입력을 허용하고 입력된 값들에 기초하여 출력을 제공하는 가상 계산기들 또는 테이블들이 가능하게 될 수 있다. 올바르지 않은 셋업 파라미터들 또는 선택들에 기초한 지능형 에이전트 가능 결과들은 올바른 산업 표준들을 강화하도록 제공될 수 있다. 또한, 어느 적절한 제어 입력이 이루어져야 하는지를 식별하기 위한 지능형 에이전트 가능 입력은 현재 시각적, 청각적 또는 물리적 표시자들에 기초하여 제공될 수 있다. 일 실시예에 따라, 카메라 기반 시스템들의 시뮬레이션은 퍼지 로직 제어기 기반 시스템에 기초하여 경로 팔로잉 및 경로 결정 시스템들의 생성에 따라 제공될 수 있다. 예를 들어, 다수의 렌더링들은, 카메라 뷰들이 시뮬레이션 동안 이동될 수 있도록 2개의 카메라 뷰들을 시뮬레이트함으로써 제공될 수 있다. 일 실시예에 따라, 알람은 예를 들어, 퍼지 로직에 기초하여 원하는 경로가 이탈될 때 알람이 울릴 수 있다. 시뮬레이트된 TIG 용접 퍼들의 시각화는 TIG 용접 퍼들의 적절한 시각화를 제공하기에 충분히 작은 픽셀 크기를 통해 제공될 수 있다. 시뮬레이트된 TIG 용접의 확대의 시뮬레이션은 이용자에 의한 더 양호한 시각화를 위해 또한 제공될 수 있다.

사용자의 숙련도, 학습 속도 및 학습 스타일에 대해 적응하는 사용자에 대한 경험의 다수의 레벨들(LMS 호환 가능함)이 또한 제공될 수 있다. 인공 지능(AI) 기반 결함 유도는 또한 문제들로부터 검출, 보정 및 복구하는 사용자의 능력을 테스트하기 위해 제공될 수 있다. 안전하지 않은 조건들, 머신 셋업 및 물질 결함들의 시뮬레이션이 제공될 수 있다. 또한, 다언어 가능 시스템은 실시예에 따라 글로벌 시장에 대한 트레이닝의 조화를 허용하도록 제공될 수 있다. 본 발명의 실시예는 2명 이상의 사용자들(다수의 사람)이 이를 테면, 특정한 오비탈 용접 시나리오에서 가상 용접을 생성하도록 허용하는 가상 시뮬레이션 환경을 제공할 수 있다.

요약하면, 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템, 상기 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템에 작동 가능하게 연결되는 공간 트래커, 상기 공간 트래커에 의해 공간적으로 트래킹될 수 있는 적어도 하나의 모의 용접 툴, 및 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템에 작동 가능하게 연결되는 적어도 하나의 디스플레이 디바이스를 포함하는 실시간 가상 현실 용접 시스템이 설명된다. 시스템은 가상 현실 공간에서 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 갖는 용접 퍼들을 시뮬레이트할 수 있다. 또한, 시스템은 시뮬레이트된 용접 퍼들을 디스플레이 디바이스 상에 실시간으로 디스플레이할 수 있다.

본 발명은 개시된 실시예들을 참조하여 본 명세서에서 설명되었다. 명백히, 본 명세서의 읽고 이해하면 다른 것들에 대한 변형들 및 변경들이 발생할 것이다. 모든 이러한 변형들 및 변경들이 첨부된 청구항들 및 그의 등가의 범위 내에 있는 한 이들을 포함하도록 의도된다.

10 시뮬레이터 170 스탠드
12 최종 사용자 171 테이블
12a 훈련생 사용자 172 스탠드 베이스
12b 강사 사용자 173 조정 가능한 암
15 환경 174 수직 포스트
110 로직 프로세서 기반 서브시스템 175 용접 쿠폰
111 중앙 처리 장치(CPU) 176 용접 조인트
15 그래픽 프로세싱 유닛(GPU) 177 연결 부분
116 계산 통합 디바이스 아키텍처(CUDA)
179 미리 정의된 지점들 200 디스플레이 디바이스
117 쉐이더 203 로직 프로세서들
118 비디오 출력 204 마이크로프로세서들
119 비디오 출력 300 저장 디바이스들
120 공간 트래커 900 용접 헬멧
121 자기 소스 910 스피커들
122 센서 1201 물리적 인터페이스
123 디스크 1202 클램프 모델들
124 전원 1203 환경 모델
125 케이블들 1204 사운드 콘테츠 기능성
126 트래킹 유닛 1205 용접 사운드들
130 사용자 인터페이스 1206 스탠드/테이블 모델
131 버튼들 1207 내부 아키텍처 기능성
132 조이스틱 1208 교정 기능성
133 다이얼들 및/또는 스위치들 1210 쿠폰 모델들
134 다이얼들 및/또는 스위치들 1211 용접 물리학적 특성
135 콘솔 1212 내부 물리학적 조정 툴(트위커)
136 손잡이
137 손잡이 1213 그래픽 사용자 인터페이스기능성
140 개인 디스플레이 1214 그래픽 기능성
150 디스플레이 스크린(1215) 1215 학생 리포트 기능성
151 용접 파라미터들 1216 렌더러
152 단절 상태들 1217 비드 렌더링
155 입력 디바이스 1218 3D 텍스처들
156 전극 홀더 1219 시각적 큐 기능성
160 용접 툴 1220 스코어링 및 허용오차 기능성
161 홀더 1221 허용오차 에디터
162 시뮬레이트된 스틱 전극 1222 특수 효과들
1300 방법 1620 표면
1310 단계 1700 용접 쿠폰
1320 단계 1701 파이프 조각
1330 단계 1702 파이프 조각
1340 단계 1703 루트 조인트
1350 단계 1704 부착 조각
1400 용접 쿠폰 1710 표면
1410 상부 표면 1910 직사각형 바들
1420 웩셀 맵 1920 입자들
1421 웩셀 1930 입자 높이들
1600 용접 쿠폰 1940 음영진 직사각형들
1610 표면

Claims (15)

1. 시뮬레이트된(simulated) 환경에서 자동화된 오비탈 용접을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터(10)로서,
   로직 프로세서 기반 서브시스템(110)으로서, 상기 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)은,
   용접될 두 파이프에 동작 가능하게 연결되고 시뮬레이트된 파이프의 섹션 주위에서 이동하도록 구성되는 용접 트랙터를 포함하는 오비탈 용접 시스템과, 적어도 하나의 시뮬레이트된 오비탈 용접 조인트를 갖는 시뮬레이트된 파이프의 섹션 상에서의 상기 오비탈 용접 시스템과의 용접 작업을 에뮬레이팅(emulate)하는 오비탈 용접 환경의 상호작용식 시뮬레이션을 생성하기 위한 코딩 명령어와,
   사용자 스크린을 이용하고 용접 파라미터 - 상기 용접 파라미터는 불활성 가스, 아크 점화, 용접 전류, 용접이 종료될 때 크레이터링(cratering)을 방지하기 위한 다운슬롭프 기능성(downslope functionality), 토치 회전 이동 속도, 와이어 피드 특성, 와이어 직경 선택, 아크 전압, 전극과 워크피스 간의 거리, 용접 발진(oscillation) 제어, 원격 제어, 폐 루프 수냉식(water cooling) 회로의 냉각 특성 또는 용접 사이클 프로그래밍 중 적어도 하나를 포함함 - 에 기초하여 용접 불연속(discontinuity)을 식별하고, 상기 용접 파라미터의 운용자(operator) 선택 및 조합을 보정(correct)하기 위한 코딩 명령어
   를 실행하도록 동작 가능한 것인, 상기 로직 프로세서 기반 서브시스템(110);
   상기 오비탈 용접 환경의 시뮬레이션을 시각적으로 묘사하기 위해 상기 로직 프로세서 기반 서브시스템(110)에 동작 가능하게 연결된 디스플레이 수단으로서, 상기 디스플레이 수단은 적어도 하나의 시뮬레이트된 오비탈 용접 조인트를 갖는 상기 시뮬레이트된 파이프의 섹션을 적어도 묘사하도록 구성되는 것인, 상기 디스플레이 수단; 및
   상기 오비탈 용접 시스템의 셋업 및 상기 적어도 하나의 시뮬레이트된 오비탈 용접 조인트 상에서의 상기 오비탈 용접 시스템과의 용접 작업을 실시간으로 상호작용식으로 수행하기 위한 펜던트(pendant)(155)
   를 포함하는, 자동화된 오비탈 용접을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 펜던트는 상기 오비탈 용접 시스템과의 용접을 위한 입력에 대한 제어를 에뮬레이팅하는 것인, 자동화된 오비탈 용접을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 로직 프로세서 기반 서브시스템은 또한, 학습 목적을 강화하기 위해 사용자에 기초하여 상호작용 또는 제어를 제한하기 위한 코딩된 명령어를 실행하도록 동작가능한 것인, 자동화된 오비탈 용접을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터.
4. 제3항에 있어서,
   상기 로직 프로세서 기반 서브시스템은 또한, 상기 사용자가 상기 오비탈 용접 환경을 셋업할 수 있거나 또는 에러 복구를 실시할 수 있는 것을 보장하기 위해 상기 오비탈 용접 환경의 시뮬레이션 내에서 시각적, 청각적, 또는 물리적 변경의 생성을 통해 상호작용 또는 반응을 교육시키기 위한 코딩된 명령어를 실행하도록 동작가능한 것인, 자동화된 오비탈 용접을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 로직 프로세서 기반 서브시스템은 또한, 값의 입력을 위한 시뮬레이트된 계산기 또는 테이블을 활용하고 입력된 값에 기초하여 출력을 제공하기 위한 코딩된 명령어를 실행하도록 동작가능한 것인, 자동화된 오비탈 용접을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터.
6. 제4항에 있어서,
   상기 로직 프로세서 기반 서브시스템은 또한, 올바르지 않은 셋업 파라미터 또는 파라미터의 조합에 기초하여 지능형 에이전트 인에이블드 결과를 생성하기 위한 코딩된 명령어를 실행하도록 동작가능한 것인, 자동화된 오비탈 용접을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터.
7. 제6항에 있어서,
   상기 로직 프로세서 기반 서브시스템은 또한, 지능형 에이전트 인에이블드 입력에 기초하여, 입력되었어야 하는 셋업 파라미터 또는 파라미터의 조합을 식별하기 위한 코딩된 명령어를 실행하도록 동작가능한 것인, 자동화된 오비탈 용접을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 셋업 파라미터 또는 파라미터의 조합의 상기 지능형 에이전트 인에이블드 입력은 상기 셋업 파라미터 또는 파라미터의 조합의 시각적, 청각적, 또는 물리적 표시자에 기초하는 것인, 자동화된 오비탈 용접을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터.
9. 제1항에 있어서,
   상기 로직 프로세서 기반 서브시스템은 또한, 상기 디스플레이 수단에 의해 묘사된 상기 오비탈 용접 환경의 일부분을 결정하기 위해 카메라 시스템을 구현하는 코딩된 명령어를 실행하도록 동작가능한 것인, 자동화된 오비탈 용접을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터.
10. 제9항에 있어서,
    상기 카메라 시스템은 경로 팔로잉(path-following) 및 경로 결정 시스템을 구현하는 퍼지(fuzzy) 로직 제어기 기반 시스템을 포함하는 것인, 자동화된 오비탈 용접을 용이하게 하기 위한 시뮬레이터.
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