KR102154879B1 - 가상 용접 시스템 - Google Patents

Abstract

이 기재된 서술은 최적의 모드를 포함하는 본 발명을 서술하기 위해 또한 본 기술분야의 숙련자 중 하나가 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 또한 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하는 본 발명을 시행할 수 있게 하기 위해 예를 사용하고 있다. 본 발명의 특허허여 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 또한 본 기술분야의 숙련자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는 이들이 청구범위의 문자 그대로의 언어와는 상이하지 않은 구조적 요소를 갖고 있다면, 또는 이들이 청구범위의 문자 그대로의 언어와 실체 없는 차이를 갖는 등가의 구조적 요소를 포함한다면, 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Description

가상 용접 시스템{VIRTUAL WELDING SYSTEM}

이 출원은 2009년 7월 10일자 출원된 미국 특허출원 제12/501,257호의 일부 연속 출원이다.

본 발명은 가상 현실(virtual reality) 시뮬레이션에 관한 것으로서, 특히 시뮬레이트된 가상 현실 환경 또는 증대된 현실 환경에서 아크 용접 훈련을 제공하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

전형적으로 아크 용접하는 방법을 배우는 것은 교육, 훈련, 및 실습에 많은 시간이 소요된다. 습득될 수 있는 많은 상이한 타입의 아크 용접 및 아크 용접 프로세스가 있다. 전형적으로, 용접은 실제 용접 시스템을 사용하고 또한 실제 금속 부재상에서 용접 작업을 수행하는 학생에 의해 습득된다. 이러한 현실-세계 훈련은 부족한 용접 자원을 묶어두고 그리고 제한된 용접 물질을 다 사용해버릴 수 있다. 그러나, 최근, 용접 시뮬레이션을 사용하는 훈련의 아이디어가 더욱 대중적으로 되고 있다. 일부 용접 시뮬레이션은 퍼스널 컴퓨터를 통해 및/또는 인터넷을 통한 온-라인으로 실시된다. 그러나, 현재 알려진 용접 시뮬레이션은 그 훈련에 촛점이 제한되는 경향이 있다.

예를 들어, 일부 용접 시뮬레이션은 단지 "근육 기억"만을 위한 훈련에 촛점을 맞추고 있으며, 이것은 단순히 용접 학생들에게 용접 툴을 파지 및 위치시키는 방법을 훈련시킨다. 다른 용접 시뮬레이션은 그러나 단지 제한된 그리고 흔히 현실 세계 용접을 크게 나타내는 원하는 피드백을 학생에게 제공하지 않는 비현실적인 방식으로만, 용접 프로세스의 시각적 및 청각적 효과를 보여주는 것에 촛점을 맞추고 있다. 이것은 필요로 하는 조정을 실시하여 좋은 용접을 하기 위해 학생을 지도하는 실제 피드백이다. 용접은 단지 근육 메모리에 의해서가 아니라 아크 및/또는 퍼들(puddle)을 관찰함으로써 습득된다.

도면을 참조하여 이 출원의 나머지에 설명된 본 발명의 실시예와 이러한 접근 방법의 비교를 통해, 통상적인, 전형적인, 그리고 이미 제안된 접근방법의 추가적인 제한 및 단점이 본 기술분야의 숙련자에게 명백할 것이다.

본 발명의 일 양태(aspect)에 있어서, 가상 용접 시스템은 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템 및 상기 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템에 작동 가능하게 연결된 공간 트래커(tracker)를 포함한다. 모의(mock) 용접 툴(tool)이 사용되며, 이것은 공간 트래커에 의해 공간적으로 추적될 수 있다. 모의 용접 툴은 하나 이상의 어댑터를 포함하며, 거기에서 각각의 어댑터는 특정한 용접 타입의 현실-세계 외형을 모방한다. 베이스(base)는 하나 이상의 어댑터의 각각에 제거 가능하게 결합된다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 모의 용접 툴이 가상 용접 시스템 내에 사용된다. 하나 이상의 어댑터가 사용되며, 거기에서 각각의 어댑터는 특정한 용접 타입의 물리적 특성을 모방한다. 베이스는 하나 이상의 어댑터의 각각에 제거 가능하게 결합되며, 상기 베이스는 데이텀 위치에 대해 모의 용접 툴의 실시간 공간 위치를 식별한다.

또한, 가상 용접 시스템 내에 모의 용접 툴을 사용하는 방법이 사용된다. 제1 어댑터가 베이스에 제거 가능하게 연결되며, 상기 제1 어댑터는 제1 용접 타입과 관련된다. 제1 어댑터는 베이스로부터 제거되며, 거기에서 제2 어댑터가 베이스에 제거 가능하게 연결되며, 상기 제2 어댑터는 제2 용접 타입과 관련된다. 공통의 베이스로 복수개의 어댑터 타입의 사용은, 실질적으로 임의의 모바일 위치에서 사용될 수 있는 휴대형(portable) 가상 용접 시스템의 사용을 용이하게 한다.

이 간단한 서술은 여기에 추가로 서술될 간단화된 형태로 개념의 선택을 도입하기 위해 제공된다. 이 간단한 서술은 청구된 주제의 주요한 특징 또는 기본적인 특징을 식별하도록 의도되지 않으며, 또한 청구된 주제의 범위를 제한하도록 사용되는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 청구된 주제는 이 서술의 임의의 부분에서 언급된 임의의 단점 또는 모든 단점을 해결하는 실시에 제한되지 않는다. 본 발명의 추가적인 실시예, 양태, 및 장점은 발명의 상세한 설명, 도면, 및 청구범위로부터 추론할 수 있다.

첨부 도면이 참조되었으며, 거기에서 본 발명의 특정한 실시예 및 추가적인 장점이 하기의 설명에 더욱 상세히 서술된다.

도 1은 복수개의 어댑터의 각각에 연결할 수 있는 베이스를 구비한 교체 가능한 모의 용접 툴을 포함하는 가상 용접 시스템의 블럭도이다.
도 2는 도 1에 설명된 시스템의 일 실시를 도시하고 있다.
도 3은 베이스에 제거 가능하게 결합하는 GMAW 어댑터의 예시적인 측부 평면도이다.
도 4는 베이스에 제거 가능하게 결합하는 스틱(stick) 툴 어댑터의 예시적인 사시도이다.
도 5는 베이스에 제거 가능하게 결합하는 순산소(oxyfuel) 어댑터의 예시적인 사시도이다.
도 6은 도 3, 4, 및 5에 설명된 어댑터와 인터페이스할 수 있는 베이스의 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 베이스의 절취 사시도이다.
도 8a는 베이스 및 스틱 툴 어댑터를 포함하는 조립된 모의 용접 툴의 사시도이다.
도 8b는 베이스 및 스틱 툴 어댑터를 포함하는 분해된 모의 용접 툴의 사시도이다.
도 9는 용접 쿠폰(coupon) 및 자석을 알려진 공간 위치에 보유하는데 사용되는 스탠드(stand)의 사시도이다.
도 10은 용접 쿠폰 및 자석을 알려진 공간 위치에 보유하기 위해 도 9의 스탠드를 대안적인 콤팩트 가능한(compactable) 위치에 도시한 사시도이다.
도 11은 모바일 가상 용접 시스템을 이송 및 작동시키기 위한 부품을 포함하는 키트(kit)를 도시한 조립도이다.
도 12는 가상 용접 시스템과 통산하기 위한 사용자 인터페이스를 도시한 정면도이다.
도 13은 가상 용접 시스템과 통산하기 위한 대안적인 사용자 인터페이스를 도시한 정면도이다.
도 14는 가상 용접 시스템 내에서 사용자에 의해 사용될 수 있는 헬멧(helmet)의 사시도이다.
도 15는 가상 용접 시스템 내에 사용된 용접 홀멧 내에 장착되는 FMDD 의 후방 사시도이다.
도 16은 도 1에 도시된 프로그램 가능한 프로세서-기반 서브 시스템(programmable processor-based subsystem)(PPS)의 서브 시스템 블럭도의 예시적인 실시예의 흐름도이다.
도 17은 도 16의 PPS 의 그래픽 처리 장치의 블럭도의 예시적인 실시예의 흐름도이다.
도 18은 도 1의 기능적인 블럭도의 예시적인 실시예의 흐름도이다.
도 19는 도 1의 가상 현실 훈련 시스템을 사용하는 훈련 방법의 실시예의 흐름도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따라, 용접 픽셀[웩셀(wexel)] 변위 맵(map)을 도시한 정면도이다.
도 21은 쿠폰 공간 및 도 1의 시스템에 시뮬레이트된 평탄(flat) 용접 쿠폰의 대응하는 x-y 용접 공간 플롯(plot)의 사시도이다.
도 22는 모서리 및 도 1의 시스템에 시뮬레이트된 모서리[티(tee) 조인트] 용접 쿠폰의 대응하는 T-S 용접 공간 플롯의 사시도이다.
도 23은 파이프 쿠폰 및 도 1의 시스템에 시뮬레이트된 파이프 용접 쿠폰의 대응하는 T-S 용접 공간 플롯의 사시도이다.
도 24a-24c는 도 1의 시스템의 이중 변위 퍼들의 개념을 도시하는 정면도이다.

도면에 있어서, 본 발명의 여러 실시예 또는 실시는 이하에서 도면과 함께 서술되었으며, 거기에서 유사한 도면부호는 그 전체를 통해 유사한 요소를 지칭하는데 사용된다. 이 실시예는 복수개의 어댑터를 수용하는 베이스를 갖는 모의 용접 툴을 사용하는 가상 용접 시스템에 관한 것이며, 거기에서 각각의 어댑터는 상이한 용접 타입을 시뮬레이트한다. 어댑터는 필요 시 베이스와의 이음매 없는(seamless) 제거 가능한 결합을 허용하는 공통 크기를 가질 수 있다. 이하에 다양한 예시적인 가상 용접 시스템의 내용이 도시 및 서술되지만, 본 발명은 도시된 예에 제한되지 않는다.

특히, 본 실시예는 프로그램 가능한 프로세서-기반 서브 시스템, 상기 프로그램 가능한 프로세서-기반 서브 시스템에 작동 가능하게 연결되는 공간 트래커, 상기 공간 트래커에 의해 공간적으로 추적될 수 있는 적어도 하나의 모의 용접 툴, 및 프로그램 가능한 프로세서-기반 서브 시스템에 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 디스플레이 장치를 포함하는 가상 현실 용접 시스템에 관한 것이다. 추가적인 융통성을 제공하기 위해, 모의 용접 툴은 베이스 및 복수개의 어댑터를 포함하며, 상기 각각의 어댑터는 상이한 용접 타입을 시뮬레이트하는데 사용된다. 예를 들어, 제1 어댑터는 GMAW 용접을 시뮬레이트할 수 있으며, 제2 어댑터는 SMAW 용접을 시뮬레이트할 수 있으며, 제3 어댑터는 순산소 용접 등을 시뮬레이트할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 툴은 순산소 또는 다른 절단 토치와 같은 절단 장치를 시뮬레이트하는데 사용될 수 있다. 어댑터는 이들이 제거되고 또한 공통의 베이스에 연결될 때 무이음 절환을 허용하기 위해 표준화된 크기를 모두 가질 수 있다. 휴대형 사용을 수용하기 위해, 콤팩트 가능한 스탠드는 용접 쿠폰을 모의 용접 툴에 사용하기 위한 공간에 보유하는데 사용된다. 이 방식으로, 시스템은 가상 현실 공간에서 복수개의 용접 타입을 시뮬레이트할 수 있으며, 거기에서 용접 퍼들은 각각의 용접 타입에 어울리는 실시간의 용융(molted) 금속 유동성(fluidity) 및 열 소산(dissipation) 특성을 갖는다.

시뮬레이트된 용접 퍼들의 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성은 디스플레이되었을 때 모의 용접 툴의 사용자에게 실시간 시각적 피드백을 제공하여, 사용자가 실시간 시각적 피드백에 응답하여 용접 기술을 실시간으로 조정 또는 유지하는 것을 허용한다. 디스플레이된 용접 퍼들은 사용자의 용접 기술 및 선택된 용접 프로세스 및 매개변수에 기초하여 현실-세계에 형성된 용접 퍼들을 나타낸다. 퍼들[예를 들어, 형상, 색깔, 슬래그(slag), 크기]을 관찰함으로써, 사용자는 좋은 용접을 하고 또한 실시될 용접의 타입을 결정하기 위해 자신의 기술을 수정할 수 있다. 퍼들의 형상은 모의 용접 툴의 이동에 응답한다. 여기에 사용되는 바와 같이, "실시간"이라는 용어는 사용자가 현실-세계 용접 시나리오를 인식 및 경험하는 것과 동일한 방법으로, 시뮬레이트된 환경에서 제 시간에 인식 및 경험하는 것을 의미한다. 또한, 용접 퍼들은 중력을 포함하는 물리적 환경의 영향에 응답하여, 사용자가 수평, 수직, 및 오버헤드 용접을 포함하는 다양한 위치와 그리고 다양한 파이프 용접 각도로 용접을 현실적으로 실시하는 것을 허용한다.

이제 예시적인 실시예를 도시하기 위한 것이 도시된 도면에 있어서, 도 1은 실시간 가상 현실 환경에서 아크 용접 훈련을 제공하는 가상 용접 시스템(100)의 블럭도이다. 가상 용접 시스템(100)은 프로그램 가능한 프로세서-기반 서브 시스템(PPS)(110)을 포함한다. 가상 용접 시스템(100)은 상기 PPS 에 작동 가능하게 연결된 공간 트래커(ST)(120)를 더 포함한다. 또한, 가상 용접 시스템(100)은 PPS(110)에 작동 가능하게 연결된 물리적 용접 사용자 인터페이스(welding user interface)(WUI)(130) 및 상기 PPS(110) 및 ST(120)에 작동 가능하게 연결된 면-장착된 디스플레이 장치(face-mounted display device)(FMDD)(140)를 포함한다. 가상 용접 시스템(100)은 PPS(110)에 작동 가능하게 연결된 관찰자 디스플레이 장치(observer display device)(ODD)(150)를 더 포함한다. 또한, 가상 용접 시스템(100)은 ST(120) 및 PPS(110)에 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 모의 용접 툴(mock welding tool)(MWT)(160)을 포함한다. 가상 용접 시스템(100)은 스탠드(170) 및 상기 스탠드(170)에 부착될 수 있는 적어도 하나의 용접 쿠폰(welding coupon)(WC)(180)을 더 포함한다. MWT(160)는 복수개의 상이한 용접 타입을 시뮬레이트하기 위해 하나 이상의 어댑터(도시되지 않은)를 연결하는 베이스(도시되지 않은)를 포함할 수 있다.

도 2는 도 1에 설명된 시스템의 일 실시를 도시한 시스템(200)을 도시하고 있다. FMDD(140)는 사용자가 용접을 시각적으로 경험하기 위한 시뮬레이트된 가상 환경을 디스플레이하는데 사용된다. 이 시뮬레이트된 환경의 정확한 렌더링(rendering)을 제공하기 위해, FMDD(140)는 시스템(200)에서 FMDD(140)의 공간 위치에 대한 데이터를 수신 및 전송하기 위해 PPS(110)와 통신한다. 통신은 블루투스, 무선 이더넷 등을 포함하는 알려진 하드웨어 및/또는 무선 기술을 사용하여 용이하게 될 수 있다. 공간 위치 데이터를 얻기 위해, 하나 이상의 센서(142)가 FMDD(140) 내에 및/또는 근접하여 배치된다. 센서(142)는 다시 자석(172)과 같은, 시스템(200) 내의 특정한 데이터에 대해 공간 위치를 평가한다. 자석(172)은 알려진 데이텀 지점에 위치될 수 있으며, 또한 용접 쿠폰(180)에 대해 미리 결정된 거리(178)로 배치된다. 이 미리 결정된 거리(178)는 폼 팩터(form factor), 템플레이트(template), 또는 스탠드(170)와 관련하여 미리 구성된 구조를 사용함으로써 유지될 수 있다. 따라서, 자석(172)에 대한 센서(142)의 이동은 본질적으로 스탠드(170) 내에서 용접 쿠폰(180)에 대한 FMDD(140)의 위치 데이터를 제공할 수 있다. 센서(142)는 사용자의 운동과 일치하기 위해 실시간으로 FMDD(140)를 업데이트하는 알려진 통신 프로토콜을 사용하여, 자석에 대한 위치를 식별하도록 무선으로 통신할 수 있다.

또한, 시스템(200)은 MWT(160)를 포함하며, 이것은 베이스(166)에 결합된 어댑터(162)를 포함한다. 어댑터(162)는 단순히 특정한 용접 타입을 각각 시뮬레이트하는 복수개의 어댑터들 중 하나를 나타내는 것임을 인식해야 한다. 어댑터(162)는 다른 어댑터를 위한 대체물(substitute)로서 하나의 어댑터의 제거 및 교체를 허용하기 위해 베이스(166)에 제거 가능하게 결합된다. 제거 가능한 결합은 사용자가 어댑터(162) 및/또는 베이스(166)를 가압해제(depress)하고, 비틀고, 또는 그렇지 않으면 기계적으로 수정하는 것을 허용하도록 태브(tab), 딤플(dimple), 슬라이더(slider), 푸시 버튼 등을 사용하여 달성될 수 있다. 특정한 용접 타입을 정확하게 시뮬레이트하기 위해, 각각의 어댑터(162)는 실제 용접 동작을 수행하는데 사용되는 현실 세계 등가물을 제공하는 크기를 갖는다. 일단 특정한 어댑터가 베이스에 결합되면, PPS 가 그것과 함께 관련된 적절한 명령 세트를 로딩 및 실행하는 것을 허용하기 위해, 사용자는 사용 시 어댑터의 타입을 입력할 수 있다. 이 방식으로, 정확한 렌더링이 각각의 어댑터 타입에 어울리는 FMDD(140)상에 디스플레이된다.

하나 이상의 센서(168)가 베이스(166) 내에 또는 이에 근접하여 배치될 수 있다. FMDD(140)처럼, 센서(168)는 스탠드(170)상에서 자석(172)에 관한 공간 위치를 무선으로 결정할 수 있다. 이 방식으로, 어댑터(162) 및 베이스(166)는 어댑터와 베이스(166) 모두의 칫수가 미리 결정될 때, 조합하여 자석(172)에 관해 알려진 위치 및 공간을 본질적으로 갖고 있다. 시스템(200)이 각각의 어댑터(162)를 수용하도록 적절히 보정(calibrate)되는 것을 보장하기 위해, 사용자는 특정한 어댑터가 현재 사용되고 있는 것을 표시하도록 PPS(110)[예를 들어, WUI(130)를 통해]와 인터페이스할 수 있다. 일단 이러한 표시가 이루어지면, PPS(110)는 메모리(112)로부터 조견표(lookup table)를 검색할 수 있으며, 이것은 FMDD(140)를 통해 사용자에 의해 경험된 바와 같이 시뮬레이트된 환경을 적절히 렌더링하는 룰 세트(rule set)를 포함한다.

실시예에 있어서, PPS(110)는 서술된 구조를 실행하는데 작동 가능한 컴퓨터이다. 본 발명의 다양한 양태를 위한 추가적인 내용을 제공하기 위해, 하기의 설명은 본 발명의 다양한 양태가 실시될 수 있는 적절한 계산 환경의 간단한 일반적인 서술을 제공하는 것으로 의도된다. PPS(110)는 다른 프로그램 모듈과 조합하여 및/또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로서 실시되는 하나 이상의 컴퓨터를 작동시킬 수 있는 컴퓨터-실행 가능한 명령을 사용할 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈은 루틴, 프로그램, 부품, 데이터 구조 등을 포함할 수 있으며, 이들은 특정한 작업을 수행하거나 또는 특정한 추출 데이터 타입을 실시한다. 예를 들어, 이러한 프로그램 및 컴퓨터-실행 가능한 명령은 다양한 장치 제어 패러다임(paradigm)을 사용하는 로봇을 통해 프로세스될 수 있다.

더욱이, 본 기술 분야의 숙련자라면 본 발명의 방법은 퍼스널 컴퓨터, 손-파지형(hand-held) 계산 장치, 마이크로 프로세서-기반 또는 프로그램 가능한 가전 기기, 등 뿐만 아니라 단일-프로세서 또는 멀티 프로세서 컴퓨터 시스템, 미니 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터를 포함하는 다른 컴퓨터 시스템 구성으로 실시될 수 있으며, 그 각각은 하나 이상의 관련된 장치에 작동 가능하게 결합될 수 있다. 또한, 본 발명의 도시된 양태는 임의의 작업이 통신 네트웍을 통해 링크된 원격 프로세싱 장치에 의해 수행되는 분산된 계산 환경으로 실시될 수 있다. 분산된 계산 환경에 있어서, 프로그램 모듈은 로컬(local) 메모리 저장 장치와 원격 메모리 저장 장치 모두에 위치될 수 있다.

PPS(110)는 컴퓨터를 포함하는 본 발명의 다양한 양태를 실시하기 위해 예시적인 환경을 사용할 수 있으며, 거기에서 컴퓨터는 프로세서(114), 메모리(112), 및 통신 목적을 위한 시스템 버스(bus)를 포함한다. 시스템 버스는 메모리를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 시스템 부품들을 프로세서(114)에 결합한다. 프로세서(114)는 상업용으로 유용한 임의의 다양한 프로세서일 수 있다. 이중 마이크로 프로세서 및 다른 멀티-프로세서 구조가 프로세서(114)로서 사용될 수도 있다.

시스템 버스는 메모리 버스 또는 메모리 제어기, 주변 버스, 및 상업용으로 유용한 임의의 다양한 버스 구조를 사용하는 로컬 버스를 포함하는 임의의 여러가지 타입의 버스 구조일 수 있다. 메모리(112)는 판독 전용 메모리(ROM) 및 랜덤 억세스 메모리(RAM)를 포함할 수 있다. 시동 중과 같은, PPS(110) 내의 요소들 사이에 정보를 전달하는 것을 돕는 베이직(basic) 루틴을 포함하는 베이직 입력/출력 시스템(basic input/output system)(BIOS)이 ROM 에 저장된다.

PPS(110)는 예를 들어 제거 가능한 디스크를 판독하거나 또는 이에 기입하기 위한 하드 디스크 드라이브, 자기 디스크 드라이브, 및 예를 들어 CD-ROM 디스크를 판독하기 위한 또는 다른 광학 매체를 판독하거나 또는 이에 기입하기 위한 광학 디스크 드라이브를 더 포함할 수 있다. PPS(110)는 컴퓨터 판독 가능한 매체의 적어도 일부 형태를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 컴퓨터에 의해 억세스될 수 있는 임의의 유용한 매체일 수 있다. 예를 들어, 또한 제한적이지 않은, 컴퓨터 판독 가능한 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독 가능한 명령, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 다른 데이터와 같은 정보의 저장을 위해 임의의 방법 또는 기술로 실시되는 휘발성 및 비휘발성의 제거 가능한 및 제거 불가능한 매체를 포함한다. 컴퓨터 저장 매체는 RAM, ROM, EEPROM, 플래시 메모리 또는 다른 메모리 기술, CD-ROM, 디지털 다기능 디스크(DVD) 또는 다른 자기 저장 장치, 또는 원하는 정보를 저장하는데 사용될 수 있으며 또한 PPS(110)에 의해 억세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는다.

통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독 가능한 명령, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 반송파(carrier wave)와 같은 모듈형 데이터 신호의 다른 데이터 또는 다른 이송 기구를 구현하며, 또한 임의의 정보 전달 매체를 포함한다. "모듈형 데이터 신호"라는 용어는 하나 이상의 그 특성 세트를 갖는 또는 정보를 신호로 엔코딩하는 것과 같은 방식으로 변화된 신호를 의미한다. 예를 들어, 그리고 제한적이지 않은, 통신 매체는 유선형 네트웍 또는 직접-유선형 연결과 같은 유선형 매체, 및 음향(acoustic), RF, 적외선과 같은 무선 매체 및 다른 무선 매체를 포함한다. 위의 임의의 조합은 컴퓨터 판독 가능한 매체의 범위 내에도 포함되어야만 한다.

많은 프로그램 모듈이 운영 체제, 하나 이상의 어플리케이션 프로그램, 다른 프로그램 모듈, 및 프로그램 데이터를 포함하는 드라이브 및 RAM 에 저장될 수 있다. PPS(110)의 운영 체제는 상업용으로 유용한 임의의 많은 운영 체제일 수 있다.

추가적으로, 사용자는 키보드, 마우스와 같은 포인팅(pointing) 장치를 통해 명령 및 정보를 컴퓨터 내로 입력할 수 있다. 다른 입력 장치는 마이크로폰, IR 원격 제어, 트랙 볼(track ball), 펜 입력 장치, 조이스틱(joystick), 게임 패드, 디지털화 태블릿(digitizing tablet), 위성 접시(satellite dish), 스캐너, 등을 포함할 수 있다. 이들 및 다른 입력 장치는 시스템 버스에 결합된 직렬 포트 인터페이스를 통해 자주 프로세서에 연결되지만, 그러나 평행 포트, 게임 포트, 유니버셜 시리얼 버스("USB"), IR 인터페이스와 같은 다른 인터페이스, 및/또는 다양한 무선 기술에 의해 연결될 수 있다. 모니터(도시되지 않은) 또는 다른 타입의 디스플레이 장치는 비디오 어댑터와 같은 인터페이스를 통해 시스템 버스에 연결될 수도 있다. 시각적 출력은 원격 데스트탑 프로토콜과 같은 원격 디스플레이 네트웍 프로토콜, VNC, X-Window System 등을 통해 달성될 수도 있다. 시각적 출력과 함께, 컴퓨터는 전형적으로 스피커, 프린터 등과 같은 다른 주변 출력 장치를 포함한다.

ODD(150) 및 WUI(130)와 같은 디스플레이는 프로세서로부터 전자적으로 수신된 데이터를 나타내기 위해 PPS(110)와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이는 데이터를 전자적으로 나타내는 LCD, 플라즈마, CRT, 등 모니터일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 디스플레이는 수신된 데이터를 프린터, 팩시밀리, 플로터(plotter) 등과 같은 하드 카피(hard copy) 포맷으로 나타낼 수 있다. 디스플레이는 데이터를 임의의 색깔로 나타낼 수 있으며, 또한 임의의 무선 또는 하드 와이어 프로토콜 및/또는 스탠다드를 통해 PPS(110)로부터 데이터를 수신할 수 있다. 실시예에 있어서, WUI(130)는 사용자가 하나 이상의 이전의 시뮬레이션으로부터 용접 데이터를 검토하는 것과 같은 PPS(110)와 인터페이스하는 것을 허용하는 터치-스크린이다. 또한, 사용자는 특정한 분석(예를 들어, 용접 품질)과 관련된 정보를 식별하기 위해 다양한 데이터 패러다임을 통해 탐색할 수 있으며, 거기에서 이러한 데이터는 스코어링(scroing) 또는 다른 비교를 위해 하나 이상의 벤치마크(benchmark)에 대해 평가된다.

컴퓨터는 원격 컴퓨터(들)와 같은 하나 이상의 원격 컴퓨터로의 논리적 및/또는 물리적 연결을 사용하여 네트워킹된 환경에서 작동할 수 있다. 원격 컴퓨터(들)는 워크스테이션(workstation), 서버 컴퓨터, 라우터(router), 퍼스널 컴퓨터, 마이크로 프로세서 기반 엔터테인먼트 기기, 피어(peer) 디바이스, 또는 다른 공통 네트웍 노드(node)일 수 있으며, 또한 전형적으로 컴퓨터와 관련하여 서술된 요소들의 전부 또는 상당수를 포함한다. 묘사된 논리적 연결은 로컬 에어리어 네트웍(LAN) 및 광대역 네트웍(WAN)을 포함한다. 이러한 네트워킹 환경은 사무실, 전사적(enterprise-wide) 컴퓨터 네트웍, 인트라넷, 및 인터넷에서 흔한 일이다.

LAN 네트워킹 환경에 사용될 때, 컴퓨터는 네트웍 인터페이스 또는 어댑터를 통해 로컬 네트웍에 연결된다. WAN 네트워킹 환경에 사용될 때, 컴퓨터는 전형적으로 모뎀을 포함하거나, 또는 LAN 상의 통신 서버에 연결되거나, 또는 인터넷과 같은 WAN 에 대해 통신을 설정하기 위한 다른 수단을 포함한다. 네트워킹된 환경에 있어서, 컴퓨터 또는 그 일부에 대해 묘사된 프로그램 모듈은 원격 메모리 저장 장치에 저장될 수 있다. 여기에 서술된 네트웍 연결은 예시적이며 또한 컴퓨터들 사이의 통신 링크를 설정하는 다른 수단이 사용될 수 있음이 인식될 것이다.

도 3-5는 어댑터(162)의 비-제한적인 예시적인 실시예를 도시하고 있으며, 도 3은 GMAW 용접 건(300)으로서 어댑터(162)를 도시하고 있으며, 도 4는 스틱 용접 툴(400)로서 어댑터(162)를 도시하고 있으며, 또한 도 5는 순산소 토치(500)로서 어댑터(162)를 도시하고 있다. 어댑터가 여기에서 복수개의 상이한 부품들을 갖는 것으로 서술되었지만, 어댑터의 일체형 및 다-부품 실시예 모두는 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려되는 것을 인식해야 한다. 먼저, 도 3으로 돌아가서, GMAW 용접 건(300)은 튜브(312)를 통해 인터페이스(318)에 연결된 노즐(310)을 포함한다. 용접 건(300)은 실질적으로 현실-세계 어플리케이션에 사용된 GMAW 건과 동일한 중량 및 치수를 가질 수 있다. 건(300) 내의 각각의 부품의 치수는 알려진 값일 수 있으며, 이것은 용접 쿠폰(180) 및 자석(172)을 고려하여 건을 보정하는데 사용될 수 있다. 인터페이스(318)는 베이스에 대한 어댑터(300)의 제거 가능한 결합을 허용하는 하나 이상의 기계적 특징부를 포함할 수 있다.

도 4는 판 및 파이프 용접을 위한 스틱 용접 툴(400)을 도시하고 있으며, 또한 홀더(422) 및 시뮬레이트된 스틱 전극(410)을 포함한다. 실시예에 있어서, 시뮬레이트된 스틱 전극(410)은 예를 들어 현실-세계 파이프 용접에서 루트 패스(root pass) 용접 절차 중 또는 판을 용접할 때 발생하는 저항성 피드백을 시뮬레이트하기 위해 촉각 저항성(tactilely resistive) 팁을 포함할 수 있다. 사용자가 시뮬레이트된 스틱 전극(162)을 루트로부터 너무 멀리 후방으로 이동시키면, 사용자는 낮은 저항을 느끼거나 또는 감지할 수 있을 것이며, 그에 따라 현재 용접 프로세스를 조정 또는 유지하는데 사용하기 위해 피드백을 유도한다. 인터페이스(418)는 베이스에 대한 스틱 용접 툴(400)의 제거 가능한 결합을 허용한다.

도 5는 노즐(510) 및 베이스에 대해 순산소 어댑터(500)의 제거 가능한 결합을 허용하는 인터페이스(518)를 포함하는 순산소 어댑터(500)를 도시하고 있다. 이 실시예에 있어서, 인터페이스(518)는 베이스의 직경 둘레에 고정될 수 있는 컬러(collar)를 포함한다. 푸시 버튼(520)은 베이스상에서 상보형(complimentary) 특징부(예를 들어, 딤플)와 기계적으로 인터페이스하기 위해 돌출부 또는 다른 특징부를 포함할 수 있다. 이 방식으로, 어댑터(500)는 푸시 버튼이 가압해제되었거나 또는 그렇지 않다면 조작되었는지의 여부에 따라 베이스에 "로킹"할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 순산소 어댑터는 금속 물체를 절단하는데 사용된 절단 토치를 나타내는데 사용될 수 있다. 이 실시예에 있어서, 절단 토치는 이것이 현실-세계 어플리케이션으로 작동될 때 가상 용접 시스템 내에 디스플레이된다. 예를 들어, PPS(110)는 용접 토치 대신에 절단 토치 어플리케이션을 나타내는 코드를 로딩 및 실행할 수 있다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따라 예를 들어 건을 통해 공급된 와이어 전극을 갖는 손-파지형 반자동 용접 건을 시뮬레이트하는 MWT 를 포함하는, 다른 모의 용접 툴이 가능하다. 또한, 본 발명의 다른 임의의 실시예에 따라, 가상 용접 시스템(100)에서 실제로 실제 아크를 생성하기 위해 툴이 사용되지 않더라도, 사용자의 손에서 툴의 실제 느낌을 더욱 잘 시뮬레이트하기 위해, 실제 용접 툴이 MWT(160)로서 사용될 수 있다. 또한, 가상 용접 시스템(100)의 시뮬레이트된 연마(grinding) 모드에 사용하기 위해, 시뮬레이트된 연마 툴이 제공될 수 있다. 유사하게, 가상 용접 시스템(100)의 시뮬레이트된 절단 모드에 사용하기 위해, 시뮬레이트된 절단 툴이 제공될 수 있다. 또한, 가상 용접 시스템(100)에 사용하기 위해, 시뮬레이트된 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 토치 또는 필러(filler) 물질이 제공될 수 있다.

도 6은 GMAW 건(300), 스틱-용접 툴(400), 및 순산소 어댑터(500)와 같은 하나 이상의 어댑터에 인터페이스하기 위해 사용되는 베이스(600)를 도시하고 있다. 베이스(600)는 본체(620)를 포함하며, 이것은 여기에 서술되는 센서(168)와 같은 하나 이상의 전자 부품을 수용할 수 있다. 실시예에 있어서, 본체(620)는 예를 들어, 나사, 볼트, 리벳, 등과 같은 고정구(640)를 통해 함께 보유되는 2개의 절반부(half)로 구성된다. 하드-와이어 케이블(630)은 베이스(600)와 PPS(110)와의 통신을 용이하게 하기 위해 본체(620)로부터 연장한다.

인터페이스(610)는 인터페이스(610)의 반대측상에서 그 내부에 배치된 딤플(616) 및 랜딩(landing)(614)을 포함한다. 랜딩 및 딤플 조합은 예시적인 어댑터(300, 400, 500)의 인터페이스 내에서 상보형 부품을 위해 제거 가능한 인터록(interlock)으로 작용할 수 있다. 그러나, 실질적으로 임의의 기계적 인터페이스가 베이스(600)에 대해 어댑터의 효과적인 제거 및 교체를 용이하게 할 것으로 예상된다. 돌출부(636)의 내부에 배치된 푸시 버튼(618)은 푸시 버튼(618)이 가압해제되었을 때 사용자가 활동적인 용접 모드에 있음을 나타내는데 사용될 수 있다. 적어도 어댑터(400)에 대한 기준에 의해, 상보형 폼 팩터는 푸시 버튼(618)에 대해 슬리브로서 끼워지도록 어댑터에 포함될 수 있으며, 거기에서 사용자는 어댑터상의 폼 팩터 특징부를 통해 푸시 버튼을 가압해제할 수 있다. 이 목적을 위해, 어댑터 폼 팩터는 사용자에게 현실 세계 외형을 제공하고 또한 용접 작동을 느끼게 하기 위해 현실 세계 트리거 또는 유사한 장치를 시뮬레이트할 수 있다.

도 7은 그 내부에 배치된 센서(652)를 나타내기 위한 베이스(600)의 절취 사시도이다. 센서(652)는 케이블(654)을 통해 하나 이상의 상이한 부품[예를 들어, PPS(110)]과 통신할 수 있으며, 또한 미리 결정된 위치에서 베이스(600) 내에 배치되며 그리고 고정구(658)를 통해 제 위치에 보유된다. 베인(vane)(672)은 본체(620)를 통해 베이스(600)를 위한 구조적 지지를 제공한다. 실시예에 있어서, 센서(652)는 정전용량(capacitance) 센서, 압전(piezoelectric), 와전류(eddy current), 유도성, 초음파, 홀 효과, 및/또는 적외선 근접 센서 기술과 같은 알려진 비-접촉식 기술을 사용한다. 이러한 기술들은 헬멧(146) 및 베이스(166)에 각각 사용된 센서(142, 168)를 포함하는 여기에 서술된 다른 센서와 함께 사용될 수 있다. 도 8은 모의 용접 툴(800)을 도시하고 있으며, 거기에서 어댑터(400)는 가상 용접 시스템(100) 내에 사용하기 위해 베이스(600)에 제거 가능하게 결합된다.

도 9는 용접 쿠폰(758)을 자석에 관해 알려진 위치의 공간에 위치시키는데 사용되는 스탠드(700)를 도시하고 있다. 스탠드(700)는 직립부(722)를 통해 함께 결합되는 아암(714) 및 베이스(724)를 포함한다. 실시예에 있어서, 직립부(722)는 스탠드(700)가 패키징 및 배송을 위해 개별적인 부품들로 분열되는 것을 허용하기 위해 베이스(724)에 제거 가능하게 결합된다. 추가적으로, 베이스(724) 및 직립부(722)는 상대적으로 낮은 중량을 동시에 유지하는 이러한 부품에 구조적 지지를 추가하는 하나 이상의 구조적 특징부(예를 들어, 베인)를 가질 수 있다. 반복 가능한 공간 위치에서 스탠드(700)상에 쿠폰의 제거 및 교체를 허용하기 위해, 플런저(732)가 아암으로부터 드로잉될 수 있다.

아암(714)의 치수 및 랜딩(738)상에 배치된 자석(710)에 관한 용접 쿠폰(758)의 위치는 모두 알려져 있으며, 용접 쿠폰(758)에 근접한 모의 용접 툴은 알려진 또한 반복 가능한 출력을 가질 것이며, 그에 따라 사용자에게 적절한 실시간 가상 용접 환경을 제공한다. 핀(762, 764)은 도 10에 도시된 바와 같이 아암(714)이 핀(764) 둘레로 피봇되는 것을 허용하도록 스탠드(700)로부터 제거될 수 있다. 이 실시예에 있어서, 핀(762)은 구멍(766, 768)으로부터 제거되며, 그에 따라 아암(714)이 핀(764) 둘레에서 제2 위치로 회전하는 것을 허용한다. 이 방식으로, 사용자는 각각과 관련된 뉘앙스(nuance)를 습득하기 위해 복수의 많은 평면(예를 들어, 수평 및 수직)에서 용접을 시뮬레이트할 수 있다. 스탠드(700)의 디자인은 용접 쿠폰(758)에 관한 자석(710)의 공간 위치가 실시간 용접 환경 시뮬레이션의 생성 및 디스플레이를 위해 정확한 그리고 반복 가능한 결과를 제공하는 위치로 유지되는 것을 보장한다는 것이 주목할 만하다.

도 11은 위치로부터 위치로 용이하게 이송될 수 있는 휴대형 용접 키트를 도시하고 있다. 키트는 실질적으로 전력원에 근접한 임의의 위치로 설치될 수 있으며, 이것은 배터리, A/C, 또는 다른 전력을 포함할 수 있다. 컨테이너(810)는 실질적으로 용접 장치 하우징으로서 형성될 수 있으며, 거기에서 그 내부는 WUI(130), 스탠드(700), 모의 용접 툴(800), 및 헬멧(900)을 수용하기 위해 복수개의 쉘(shell), 플랫폼(platform), 및 다른 저장 영역을 포함한다. 컨테이너는 컨테이너(810)의 효과적인 이송을 용이하게 하기 위해 휘일을 더 포함할 수 있다.

도 12는 전형적인 용접 시스템과 관련된 복수개의 측정기준(metric)을 디스플레이하는 예시적인 사용자 인터페이스(830)를 도시하고 있다. 인터페이스(830)는 시뮬레이트된 용접 시스템과 함께 사용되는 어댑터의 타입을 식별하는 선택기(selector)(832)를 포함한다. 온도 게이지(836), 전류 게이지(838), 및 전압 게이지(842)는 용접 공정 중 사용자에게 실시간 피드백을 제공할 수 있다. 유사하게, 도면부호 854, 856 은 추가적인 정보를 디스플레이하며, 또한 사용자 입력이 이들을 수정하는 것을 허용한다. 도 13은 현실 세계 하드웨어 용접 시스템 인터페이스를 시뮬레이트하는 대안적인 사용자 인터페이스(860)를 도시하고 있다. 실시예에 있어서, 사용자는 여기에 서술되는 바와 같이 터치 스크린 또는 다른 주변 입력 방법을 사용하여 디스플레이(860)에 입력을 제공할 수 있다.

도 14 및 15는 가상 용접 시스템을 작동시킬 때 사용자에 의해 착용되는 헬멧(900)을 도시하고 있다. 도 14는 헬멧(900)의 전방 사시도를 도시하고 있으며, 이것은 현실-세계 어플리케이션에 사용된 실제 용접 헬멧일 수 있으며, 또한 전술한 바와 같이 FMDD 를 포함하도록 개장된다. 이 방식으로, 사용자는 이들이 현실 세계 시나리오에 있는 것처럼 용접 헬멧을 착용할 수 있으며, 거기에서 가상 환경이 FMDD(140)를 통해 사용자에게 실시간으로 디스플레이된다. 도 15는 용접 헬멧(900)에 통합된 FMDD(140)의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. FMDD(140)는 유선 수단을 통해 또는 무선으로 PPS(110) 및 ST(120)에 작동 가능하게 연결한다. ST(120)의 센서(142)는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 FMDD(140) 또는 용접 헬멧(900)에 부착될 수 있어서, FMDD(140) 및/또는 용접 헬멧(900)이 ST(120)에 의해 생성된 기준의 3D 공간 프레임에 대해 추적되는 것을 허용한다.

도 16은 도 1의 가상 용접 시스템(100)의 프로그램 가능한 프로세서-기반 서브 시스템(PPS)(110)의 서브 시스템 블럭도의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. PPS(110)는 본 발명의 실시예에 따라 중앙 처리 장치(CPU)(111) 및 하나 이상의 그래픽 처리 장치(GPU)(115)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 하나의 GPU(115)는 FMDD(140)상에 모노스코프(monoscope) 비전을 제공하는데 사용된다. 다른 실시예에 있어서, 2개의 GPU(115)는 FMDD(140)상에 스테레오 비전을 제공하도록 프로그램된다. 두 경우에 있어서, 사용자는 본 발명의 실시예에 따라 실시간 용융 금속 유동성 및 열 흡수 및 소산 특성을 갖는 용접 퍼들[용접 풀(pool)로도 알려져 있는]의 가상 현실 시뮬레이션을 관찰한다.

도 17은 도 10의 PPS(110)의 그래픽 처리 장치(GPU)(115)의 블럭도의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 각각의 GPU(115)는 데이터 평행 알고리즘의 실시를 지지한다. 본 발명의 실시예에 따라, 각각의 GPU(115)는 2개의 가상 현실 장면을 제공할 수 있는 2개의 비디오 출력(118, 119)을 제공한다. 2개의 비디오 출력은 FMDD(140)에 루틴될 수 있어서, 용접자의 관점을 렌더링하며, 또한 제3 비디오 출력은 ODD(150)에 루틴될 수 있어서, 예를 들어 용접자의 관점 또는 일부 다른 관점을 렌더링한다. 나머지 제4 비디오 출력은 예를 들어 프로젝터(projector)에 루틴될 수 있다. 두 GPU(115)는 동일한 용접 물리학적 계산을 수행하지만, 그러나 동일한 또는 상이한 관점으로부터 가상 현실 환경을 렌더링할 수 있다. GPU(115)는 계산 통합 장치 구조(compute unified device architecture)(CUDA)(116) 및 쉐이더(shader)(117)를 포함한다. CUDA(116)는 산업 표준 프로그래밍 언어를 통해 소프트웨어 개발자에 억세스할 수 있는 GPU(115)의 계산 장치이다. CUDA(116)는 평행한 코어를 포함하며, 또한 여기에 서술된 용접 퍼들의 물리학적 모델을 작동시키는데 사용된다. CPU(111)는 GPU(115)상에서 CUDA(116)에 실시간 용접 입력 데이터를 제공한다. 쉐이더(117)는 시뮬레이션의 모든 시각자료(visual)를 드로잉 및 적용할 책임이 있다. 비드(bead) 및 퍼들 시각자료는 여기에서 하기에 서술되는 웩셀 변위 맵의 상태에 의해 구동된다. 본 발명의 실시예에 따라, 물리학적 모델은 초당 약 30 배의 비율로 작동 및 업데이트한다.

도 18은 도 1의 가상 용접 시스템(100)의 기능적 블럭도의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 도 12에 도시된 바와 같이 가상 용접 시스템(100)의 다양한 기능성 블럭은 주로 PPS(110)상에서 작동하는 소프트웨어 명령 및 모듈을 통해 실시된다. 가상 용접 시스템(100)의 다양한 기능성 블럭은 물리적 인터페이스(1201), 토치 및 클램프 모델(1202), 환경 모델(1203), 사운드 성분 기능성(1204), 용접 사운드(1205), 스탠드/테이블 모델(1206), 내부 구조 기능성(1207), 보정 기능성(1208), 용접 쿠폰 모델(1210), 용접 물리학적 특성(1211), 내부 물리학적 조정 툴[트위커(tweaker)(1212)], 그래픽 사용자 인터페이스 기능성(1213), 그래핑(graphing) 기능성(1214), 학생 보고서 기능성(1215), 렌더러(renderer)(1216), 비드 렌더링(1217), 3D 텍스처(1218), 시각적 단서(cue) 기능성(1219), 스코어링(scoring) 및 오차 허용도(tolerance) 기능성(1220), 오차 허용도 에디터(editor)(1221), 및 공간 효과(1222)를 포함한다.

내부 구조 기능성(1207)은 예를 들어, 파일 로딩, 정보 보유, 스레드(thread) 관리, 물리학적 모델 작동, 및 메뉴 트리거링을 포함하는 가상 용접 시스템(100)의 프로세스의 더 높은 레벨 소프트웨어 로지스틱스(logistics)를 제공한다. 내부 구조 기능성(1207)은 본 발명의 실시예에 따라 CPU(111)상에서 작동한다. PPS(110)에 대한 임의의 실시간 입력은 아크 위치, 건 위치, FMDD 또는 헬멧 위치, 건 온/오프 상태, 및 접촉 형성 상태(예/아니오)를 포함한다.

그래픽 사용자 인터페이스 기능성(1213)은 사용자가 물리적 사용자 인터페이스(130)의 조이스틱(132)을 사용하는 ODD(150)를 통해 용접 시나리오를 설정하는 것을 허용한다. 본 발명의 실시예에 따라, 용접 시나리오의 설정은 언어 선택, 사용자 이름 기입(entering), 연습판(practice plate)(즉, 용접 쿠폰), 용접 프로세스 선택(예를 들어, FCAW, GMAW, SMAW) 및 관련된 축방향 스프레이, 펄스, 또는 단락 아크 방법, 가스 타입 및 흐름률 선택, 스틱 전극(예를 들어, 6010 또는 7018)의 타입 선택, 및 플럭스 코어형 와이어의 타입(예를 들어, 자체-차폐형, 가스-차폐형) 선택을 포함한다. 또한, 용접 시나리오의 설정은 테이블 높이, 아암 높이, 아암 위치, 및 스탠드(170)의 아암 회전을 선택하는 것을 포함한다. 용접 시나리오의 설정은 환경(예를 들어, 가상 현실 공간의 배경 환경) 선택, 와이어 공급 속도 설정, 전압 레벨 설정, 암페어 설정, 극성(polarity) 선택, 및 특정한 시각적 단서 작동 또는 정지를 더 포함한다.

시뮬레이트된 용접 시나리오 중, 그래핑 기능성(1214)은 사용자 성능 매개변수를 수집하며, 또한 그래픽 포맷을 디스플레이하기 위해[예를 들어, ODD(150)상에] 사용자 성능 매개변수를 그래픽 사용자 인터페이스 기능성(1213)에 제공한다. ST(120)로부터의 추적 정보는 그래핑 기능성(1214) 내로 공급된다. 그래핑 기능성(1214)은 간단한 분석 모듈(simple analysis module)(SAM) 및 휩/위브 분석 모듈(whip/weave analysis module)(WWAM)을 포함한다. SAM 은 용접 매개변수를 비드 테이블에 저장된 데이터와 비교함으로써 용접 이동 각도, 이동 속도, 용접 각도, 위치, 및 작동 거리에 대한 팁을 분석한다. WWAM 은 다임(dime) 이격, 휩 시간, 및 퍼들 시간을 포함하는 사용자 휩핑 매개변수를 분석한다. 또한, WWAM 은 위브의 폭, 위브 이격, 및 위브 타이밍을 포함하는 사용자 위빙(weaving) 매개변수를 분석한다. SAM 및 WWAM 은 그래핑을 위해 원료(raw) 입력 데이터(예를 들어, 위치 및 배향 데이터)를 기능적으로 재사용 가능한 데이터로 해석한다. SAM 및 WWAM 에 의해 분석된 각각의 매개 변수에 대해, 오차 허용도 윈도우(window)는 오차 허용도 에디터(1221)를 사용하여 비드 테이블 내로 입력된 최적의 또는 이상적인 설정점 둘레의 매개변수 제한치에 의해 형성되며, 또한 스코어링 및 오차 허용도(1220)가 수행된다.

오차 허용도 에디터(1221)는 물질 사용, 전기 사용, 및 용접 시간을 유사하게 한 웰도미터(weldometer)를 포함한다. 또한, 임의의 매개변수가 오차 허용도를 벗어날 때, 용접 단절(즉, 용접 결함)이 발생할 수 있다. 임의의 용접 단절의 상태는 그래핑 기능성(1214)에 의해 프로세싱되며, 또한 그래픽 사용자 인터페이스 기능성(1213)을 통해 그래픽 포맷으로 제공된다. 이러한 용접 단절은 부적절한 용접 크기, 빈약한 비드 배치, 오목한 비드, 과도한 볼록함(convexity), 언더컷, 다공성(porosity), 불완전한 용융, 슬래그 압박(entrapment), 과도한 채움(overfill), 용락(熔落)(burnthrough), 및 과도한 튀김(spatter)을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라, 단절의 레벨 또는 양은 특정한 사용자 매개변수가 최적의 또는 이상적인 설정점으로부터 얼마나 멀리 있는지에 따른다.

상이한 매개변수 제한치는 예를 들어 용접 미숙자, 용접 전문가, 및 전시회 직원과 같은 상이한 타입의 사용자를 위해 미리 한정될 수 있다. 스코어링 및 오차 허용도 기능성(1220)은 특정한 매개변수에 대해 사용자가 최적값(이상치)에 얼마나 가까이 있는지에 따라 또한 용접에 존재하는 불연속 또는 결함의 레벨에 따라 스코어 숫자를 제공한다. 최적의 값은 현실-세계 데이터로부터 유래된다. 스코어링 및 오차 허용도 기능성(1220)으로부터의 및 그래픽 기능성(1214)으로부터의 정보는 강사 및/또는 학생을 위한 성능 보고서를 생성하기 위해 학생 보고서 기능성(1215)에 의해 사용될 수 있다.

가상 용접 시스템(100)은 가상 용접 활동의 결과를 분석 및 디스플레이할 수 있다. 결과를 분석함으로써, 이것은 가상 용접 시스템(100)이 용접 통과 중일 때 및 용접 조인트를 따른 장소, 용접 프로세스의 허용 가능한 제한치로부터 이탈된 사용자를 결정할 수 있음을 의미한다. 스코어는 사용자의 성능에 기여될 수 있다. 일 실시예에서, 스코어는 오차 허용도의 범위를 통한 모의 용접 툴(160)의 위치, 방향, 및 속도에서의 이탈의 함수일 수 있으며, 이것은 이상적인 용접 통과로부터 여분의 또는 허용 불가능한 용접 활동까지 연장할 수 있다. 범위의 임의의 구배(gradient)는 사용자의 성능을 스코어링하기 위해 선택될 때 가상 용접 시스템(100) 내로 통합될 수 있다. 스코어링은 수치상으로 또는 문자-수치상으로 디스플레이될 수 있다. 추가적으로, 사용자의 성능은 모의 용접 툴이 용접 조인트를 얼마나 밀착해서 횡단하였는지를 용접 조인트를 따라 시간 및/또는 위치로 그래픽으로 디스플레이할 수 있다. 임의의 매개변수가 스코어링 목적을 위해 분석될 수 있지만, 이동 각도, 작업 각도, 속도, 및 용접 조인트로부터의 거리와 같은 매개변수는 측정될 수 있는 것의 예이다. 매개 변수의 오차 허용도 범위는 현실-세계 용접 데이터로부터 취해지며, 그에 따라 사용자가 현실 세계에서 어떻게 수행할 것인지에 대해 정확한 피드백을 제공한다. 다른 실시예에 있어서, 사용자의 성능에 대응하는 결함의 분석이 통합되고 그리고 ODD(150)상에 디스플레이될 수도 있다. 이 실시예에 있어서, 어떤 타입의 단절이 가상 용접 활동 중 모니터링된 다양한 매개변수의 측정에 기인하였는지를 나타내는 그래프가 도시될 수 있다. ODD(150)상에는 폐색(occlusion)이 보여질 수 없지만, 결함은 아직 사용자의 성능의 결과로서 발생할 수 있으며, 그 결과는 아직 대응하여 디스플레이될 수 있다. 즉 그래프화될 수 있다.

시각적 단서 기능성(1219)은 덮어씌운 색깔 및 인디케이터를 FMDD(140) 및/또는 ODD(150)상에 디스플레이함으로써 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공한다. 시각적 단서는 위치, 작동 거리에 대한 팁, 용접 각도, 이동 각도, 이동 속도, 및 아크 길이(예를 들어, 스틱 용접을 위한)를 포함하는 각각의 용접 매개변수(151)를 위해 제공되며, 또한 사용자의 용접 기술의 일부 양태가 미리 한정된 제한치 또는 오차 허용도에 기초하여 조정되어야만 하는지를 사용자에게 시각적으로 나타낸다. 또한, 시각적 단서는 예를 들어 휩/위브 기술 및 용접 비드 "다임" 이격을 위해 제공될 수 있다. 시각적 단서는 독립적으로 또는 임의의 원하는 조합으로 설정될 수 있다.

보정 기능성(1208)은 현실 세계 공간(3D 기준 프레임)의 물리적 부품을 가상 현실 공간의 시각적 부품에 부합시키는 능력을 제공한다. 각각의 상이한 타입의 용접 쿠폰(WC)은 WC 를 스탠드(170)의 아암(714)에 장착하고 또한 미리 한정된 지점(예를 들어, WC 상의 3개의 딤플에 의해 표시되는)에서 ST(120)에 작동 가능하게 연결된 보정 스타일러스(stylus)로 WC 를 터치함으로써 보정된다. ST(120)는 미리 한정된 지점에서 자기장 세기를 판독하고, PPS(110)에 위치 정보를 제공하며, 또한 PPS(110)는 보정(즉, 현실 세계 공간으로부터 가상 현실 공간으로 이전)을 수행하기 위해 상기 위치 정보를 사용한다.

임의의 특정한 타입의 WC 가 매우 타이트한 오차 허용도 내에서 동일한 반복 가능한 방법으로 스탠드(170)의 아암(714)에 끼워진다. 일 실시예에 있어서, 쿠폰(758)과 아암(714)상의 자석(710) 사이의 거리는 위의 도 2에 설명된 바와 같이 알려진 거리(178)이다. 따라서, 일단 특정한 WC 타입이 보정되면, 그 WC 타입은 재-보정될 필요가 없다(즉, 특정한 타입의 WC 의 보정은 1회성이다). 동일한 타입의 WC 는 교환 가능하다. 보정은 용접 프로세스 중 사용자에 의해 인식된 물리적 피드백이 가상 현실 공간에서 사용자에게 디스플레이된 것과 부합하는 것을 보장하여, 시뮬레이션을 더욱 현실적이게 한다. 예를 들어, 사용자가 MWT(160)의 팁을 실제 WC(180)의 모서리 둘레로 미끄러뜨리면, 사용자는 사용자가 실제 모서리 둘레로 팁 미끄러짐을 느낄 때 FMDD(140)상에 가상 WC 의 모서리 둘레로 팁 미끄러짐을 볼 것이다. 본 발명의 실시예에 따라, MWT(160)는 미리 위치된 지그(jig)에 배치되며, 또한 알려진 지그 위치에 기초하여 그에 따라 보정된다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 예를 들어 쿠폰의 모서리상에 센서를 갖는 "스마트(smart)" 쿠폰이 제공된다. ST(120)는 가상 용접 시스템(100)이 "스마트" 용접 쿠폰이 현실 세계 3D 공간에 있는 장소를 계속 알도록 "스마트" 용접 쿠폰의 모서리를 추적할 수 있다. 본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따라, 용접 쿠폰을 "언로킹"하기 위해 라이센싱 키이(licensing key)가 제공된다. 특정한 WC 가 구매되었을 때, 라이센싱 키이가 제공되어 사용자가 라이센싱 키이를 가상 용접 시스템(100) 내로 넣는 것을 허용하여, 그 WC 와 관련된 소프트웨어를 언로킹한다. 본 발명의 다른 실시예에 따라, 공간적 비-표준 용접 쿠폰은 부분의 현실-세계 CAD 드로잉에 기초하여 제공될 수 있다. 사용자는 그 부분이 실제로 현실 세계에서 생산되더라도 CAD 부분의 용접을 훈련할 수 있다.

사운드 성분 기능성(1204) 및 용접 사운드(1205)는 임의의 용접 매개변수가 오차 허용도 내에 있는지 또는 오차 허용도를 벗어난지에 따라 바뀌는 특정한 타입의 용접 사운드를 제공한다. 사운드는 다양한 용접 프로세스 및 매개변수에 맞게 만들어진다. 예를 들어, MIG 스프레이 아크 용접 프로세스에 있어서, 사용자가 MWT(160)를 정확하게 위치시키지 않았을 때 탁탁거리는(crackling) 사운드가 제공되며, 또한 MWT(160)가 정확하게 위치되었을 때 쉿쉿하는(hissing) 사운드가 제공된다. 단락 아크 용접 프로세스에 있어서, 적절한 용접 기술을 위해 탁탁거리는 또는 튀기는(frying) 사운드가 제공되며, 또한 언더커팅(undercutting)이 발생하고 있을 때 쉿쉿거리는 사운드가 제공될 수 있다. 이들 사운드는 정확한 및 부정확한 용접 기술에 대응하는 현실 세계 사운드를 모방하고 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따라, 다양한 전자적 및 기계적 수단을 사용하여 실제 용접의 현실 세계 기록으로부터 하이파이(high fidelity) 사운드 성분이 취해질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 사운드의 인식된 용적 및 방향성은 MWT(160)와 WC(180) 사이에서 시뮬레이트된 아크에 대해 사용자의 머리의 위치, 배향, 및 거리[사용자가 ST(120)에 의해 추적되는 FMDD(140)를 착용하고 있다고 가정하여]에 따라 수정된다. 사운드는 헬멧(900)의 귓속 삽입형(ear bud) 스피커를 통해 또는 예를 들어 콘솔(135) 또는 스탠드(170)에 구성된 스피커를 통해 사용자에게 제공될 수 있다.

가상 현실 공간에 다양한 배경 장면(정지된 그리고 이동하는)을 제공하기 위해, 환경 모델(1203)이 제공된다. 이러한 배경 환경은 예를 들어, 실내 용접 가게, 아웃도어 레이스 트랙, 차고, 등을 포함할 수 있으며, 또한 이동하는 차, 사람, 새, 구름, 및 다양한 환경 사운드를 포함할 수 있다. 배경 환경은 본 발명의 실시예에 따라 상호작용할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 용접을 시작하기 전에 환경이 용접에 적절한(예를 들어, 안전한) 것을 보장하기 위해 배경 영역을 둘러볼 수 있다. 가상 현실 공간에서 예를 들어 건, 스틱 전극을 구비한 홀더, 등을 포함하는 다양한 MWT(160)를 모델링하는 토치 및 클램프 모델(1202)이 제공된다.

가상 현실 공간에서 예를 들어 평판 쿠폰, T-조인트 쿠폰, 맞대임-조인트 쿠폰, 홈-용접 쿠폰, 및 파이프 쿠폰(예를 들어, 2 인치 직경 파이프 및 6 인치 직경 파이프)을 포함하는 다양한 WC(180)를 모델링하는 쿠폰 모델(1210)이 제공된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 용접 쿠폰 모델은 멀티-버전(multi-version)을 포함할 수 있으며, 거기에서 쿠폰은 단일의 폼 팩터 내에 하나 이상의 용접 쿠폰 타입을 포함한다. 예를 들어, 예시적인 멀티-용접 쿠폰은 단일의 부품에 T-조인트, 맞대임-조인트, 및 홈-용접을 포함할 수 있다. 조정 가능한 아암(714), 베이스(724), 및 가상 현실 공간에서 사용되는 바와 같이 상기 조정 가능한 아암을 베이스에 결합하는데 사용되는 직립부(174)를 포함하는 스탠드(700)의 다양한 부분을 모델링하는 스탠드/테이블 모델(1206)이 제공된다. 가상 현실 공간에서 용접 사용자 인터페이스(130), 콘솔(135), 및 ODD(150)의 다양한 부분을 모델링하는 물리적 인터페이스 모델(1201)이 제공된다.

본 발명의 실시예에 따라, 가상 현실 공간에서 용접 퍼들 또는 풀의 시뮬레이션이 달성되며, 거기에서 시뮬레이트된 용접 퍼들은 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 갖는다. 용접 퍼들 시뮬레이션의 핵심은 본 발명의 실시예에 따라 GPU(115)상에서 작동하는 용접 물리학적 기능성(1211)(물리적 모델로도 알려져 있는)이다. 용접 물리학적 기능성은 동적 유동성/점도, 고형성(solidity), 열 구배(열 흡수 및 소산), 퍼들 웨이크(wake), 및 비드 형상을 정확하게 모델링하기 위해 이중 변위층 기술을 사용하며, 또한 도 14a-14c에 대해 여기에 더욱 상세히 서술된다.

용접 물리학적 기능성(1211)은 가열된 용융 상태로부터 냉각된 응고된 상태까지 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 이격)으로부터의 정보를 사용한다. 3D 텍스처 기능성(1218)은 시뮬레이트된 용접 비드상에 추가적인 텍스처[예를 들어, 스코어링, 슬래그, 그레인(grain)]를 덮어씌우기 위해 비드 렌더링 기능성(1217)에 텍스처 맵을 제공한다. 예를 들어, 슬래그는 용접 프로세스 중 및 용접 프로세스 직후에 용접 비드 위에 렌더링되는 것으로 도시될 수 있으며, 또한 그후 하부의 용접 비드를 드러내기 위해 제거된다. 렌더러 기능성(1216)은 스파크, 튀김, 연기(smoke), 아크 글로(arc glow), 연기(fume) 및 가스, 및 언더컷 및 다공성과 같은 임의의 단절을 포함하는 공간 효과 모듈(1222)로부터의 정보를 사용하여 다양한 비-퍼들(non-puddle) 특정 특성을 렌더링하는데 사용된다.

내부 물리학적 조정 툴(1212)은 다양한 용접 프로세스를 위해 한정될, 업데이트될, 및 수정될 다양한 용접 물리학적 매개변수를 허용하는 수정 툴이다. 본 발명의 실시예에 따라, 내부 물리학적 조정 툴(1212)은 CPU(111)상에서 작동하며, 또한 조정된 또는 업데이트된 매개변수가 GPU(115)에 다운로드된다. 내부 물리학적 조정 툴(1212)을 통해 조정될 수 있는 매개변수들의 타입은 용접 쿠폰과 관련된 매개변수, 용접 쿠폰을 리셋하지 않고서도 프로세스가 변화되는 것을 허용하는(제2 통과를 실행하는 것을 허용하는) 프로세스 매개변수, 전체 시뮬레이션을 리셋하지 않고 변화될 수 있는 다양한 전반적인 매개변수, 및 다른 다양한 매개변수를 포함한다.

도 19는 도 1의 가상 용접 시스템(100)을 사용하여 훈련하는 방법(1300)의 실시예의 흐름도이다. 단계(1310)에 있어서, 용접 기술에 따라 모의 용접 툴을 용접 쿠폰에 대해 이동시킨다. 단계(1320)에 있어서, 가상 현실 시스템을 사용하여 3차원 공간에서 모의 용접 툴의 위치 및 배향을 추적한다. 단계(1330)에 있어서, 상기 시뮬레이트된 모의 용접 툴로부터 방출된 시뮬레이트된 아크의 근방에 시뮬레이트된 용접 퍼들을 형성함으로써, 시뮬레이트된 모의 용접 툴이 시뮬레이트된 용접 쿠폰의 적어도 하나의 시뮬레이트된 표면상에 시뮬레이트된 용접 비드 물질을 침적할 때, 가상 현실 공간에 모의 용접 툴 및 용접 쿠폰의 실시간 가상 현실 시뮬레이션을 나타내는 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 특성에 응답하여, 용접 기술 중 적어도 하나의 양태를 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 이격을 포함하는 다른 특성을 관찰하고 또한 그에 응답할 수 있다. 용접 퍼들의 특성에 대한 관찰 및 응답은 대부분의 용접 작동이 실제로 현실 세계에서 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 사용자에게 정확하게 모델링되고 또한 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, 제2) 모의 용접 툴 및/또는 용접 프로세스를 사용하여 용접 비드 물질 위로 제2 통과를 형성할 수 있다. 이러한 제2 통과 시나리오에 있어서, 시뮬레이션은 시뮬레이트된 모의 용접 툴로부터 방출된 시뮬레이트된 아크의 근방에 시뮬레이트된 제2 용접 퍼들을 형성함으로써, 시뮬레이트된 모의 용접 툴이 시뮬레이트된 제1 용접 비드 물질과 합쳐지는 시뮬레이트된 제2 용접 용접 비드 물질을 침적할 때, 가상 현실 공간에 시뮬레이트된 모의 용접 툴, 용접 쿠폰, 및 본래의 시뮬레이트된 용접 비드 물질을 나타내고 있다. 동일한 또는 상이한 용접 툴 또는 프로세스를 사용하는 추가적인 후속의 통과는, 유사한 방식으로 이루어질 수 있다. 임의의 제2 또는 후속의 통과에 있어서, 이전의 용접 비드 물질은 본 발명의 임의의 실시예에 따라 이전의 용접 비드 물질, 새로운 용접 비드 물질, 및 가능하기로는 하부의 용접 쿠폰 물질의 조합으로부터 새로운 용접 퍼들이 가상 현실 공간에 형성될 때, 침적된 새로운 용접 비드 물질과 합쳐진다. 이러한 후속의 통과들은 예를 들어 이전의 통과에 의해 형성된 용접 비드를 수리하기 위해 수행되는 큰 필렛(fillet) 또는 홈 용접을 하는데 필요할 수 있으며, 또는 파이프 용접에서 실시되는 것처럼 루트 패스가 실시된 후, 핫 패스(hot pass) 및 하나 이상의 채움 및 캡 통과(fill and cap pass)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따라, 용접 비드 및 베이스 물질은 연강(mild steel), 스텐레스 스틸, 알루미늄, 니켈 기반 합금, 또는 다른 물질을 포함할 수 있다.

도 20a-20b는 본 발명의 실시예에 따라 용접 요소(웩셀) 변위 맵(1420)의 개념을 도시하고 있다. 도 20a는 평탄한 상부 표면(1410)을 갖는 평탄 용접 쿠폰(WC)(1400)의 측면도를 도시하고 있다. 용접 쿠폰(1400)은 현실 세계에서 예를 들어 플라스틱 부분으로서 존재하며, 또한 가상 현실 공간에서 시뮬레이트된 용접 쿠폰으로서 존재한다. 도 20b는 웩셀 맵(1420)을 형성하는 용접 요소(즉, 웩셀)의 그리드 또는 어레이로 분열된 시뮬레이트된 WC(1400)의 상부 표면(1410)의 묘사를 도시하고 있다. 각각의 웩셀[예를 들어, 웩셀(1421)]은 용접 쿠폰의 표면(1410)의 작은 부분을 형성한다. 웩셀 맵은 표면 분해능(resolution)을 한정한다. 교환 가능한 채널 매개변수 값이 각각의 웩셀에 할당되어, 각각의 웩셀의 값이 시뮬레이트된 용접 프로세스 중 가상 현실 용접 공간에서 실시간으로 동적으로 변화하는 것을 허용한다. 변화 가능한 채널 매개변수 값은 채널 퍼들(용융 금속 유동성/점도 변위), 열(열 흡수/소산), 변위(고형 변위), 및 여분[다양한 여분의 상태, 예를 들어, 슬래그, 그레인, 스코어링, 처녀 금속(virgin metal)]에 대응한다. 이들 변화 가능한 채널은 여기에서 퍼들, 열, 여분, 및 변위를 위한 PHED 로서 각각 지칭된다.

도 20은 도 1의 가상 용접 시스템(100)에서 시뮬레이트된 도 14의 평탄 용접 쿠폰(WC)(1400)의 용접 공간 및 용접 쿠폰 공간의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 지점(O, X, Y, Z)은 국부적인 3D 용접 쿠폰 공간을 형성한다. 일반적으로, 각각의 용접 쿠폰 타입은 3D 용접 쿠폰 공간으로부터 2D 가상 현실 용접 공간으로 맵핑을 한정한다. 도 20의 웩셀 맵(1420)은 가상 현실에서 용접 공간을 맵핑하는 값의 2차원 어레이이다. 사용자는 도 20에 도시된 바와 같이 지점(B)으로부터 지점(E)으로 용접한다. 지점(B)으로부터 지점(E)으로의 궤도선(trajectory line)은 도 20에 3D 용접 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 모두에 도시되어 있다.

각각의 타입의 용접 쿠폰은 웩셀 맵에서 각각의 위치에 대한 변위의 방향을 한정한다. 도 21의 평탄 용접 쿠폰에 대해, 변위의 방향은 웩셀 맵에서(즉, Z 방향에서) 모든 위치와 동일하다. 웩셀 맵의 텍스처 좌표는 맵핑을 명확하게 하기 위해 3D 용접 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 모두에서 S, T 로 도시되어 있다(때로는 U, V 로 지칭된다). 웩셀 맵은 용접 쿠폰(1400)의 직사각형 표면(1410)으로 맵핑되고 그리고 이를 제공한다.

도 22는 도 1의 가상 용접 시스템(100)에서 시뮬레이트된 모서리(티 조인트) 용접 쿠폰(WC)(1600)의 용접 공간 및 용접 쿠폰 공간의 실시예를 도시하고 있다. 모서리 WC(1600)는 도 22에 도시된 바와 같이 2D 용접 공간으로 맵핑된 3D 용접 쿠폰 공간에 2개의 표면(1610, 1620)을 갖는다. 다시, 지점(O, X, Y, Z)은 국부적인 3D 용접 쿠폰 공간을 형성한다. 웩셀 맵의 텍스처 좌표는 맵핑을 명확하기 위해 3D 용접 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 모두에서 S, T 로 도시되어 있다. 사용자는 도 22에 도시된 바와 같이 지점(B)으로부터 지점(E)으로 용접한다. 지점(B)으로부터 지점(E)으로의 궤도선은 도 22에 3D 용접 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 모두에 도시되어 있다. 그러나, 변위의 방향은 3D 용접 쿠폰 공간에 도시된 바와 같이 선 X'-O' 를 향하고 있고, 도 22에 도시된 바와 같이 반대편 모서리를 향하고 있다.

도 23은 도 1의 가상 용접 시스템(100)에서 시뮬레이트된 파이프 용접 쿠폰(WC)(1700)의 용접 공간 및 용접 쿠폰 공간의 실시예를 도시하고 있다. 파이프 WC(1700)는 도 23에 도시된 바와 같이 2D 용접 공간으로 맵핑된 3D 용접 쿠폰 공간에 굴곡된 표면(1710)을 갖는다. 다시, 지점(O, X, Y, Z)은 국부적인 3D 용접 쿠폰 공간을 형성한다. 웩셀 맵의 텍스처 좌표는 맵핑을 명확하기 위해 3D 용접 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 모두에서 S, T 로 도시되어 있다. 사용자는 도 23에 도시된 바와 같이 지점(B)으로부터 지점(E)으로 용접한다. 지점(B)으로부터 지점(E)으로의 궤도 곡선 및 선은 도 23에 3D 용접 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간에 각각 도시되어 있다. 변위의 방향은 선 Y-O 로부터 멀리(즉, 파이프의 중심으로 멀리) 있다.

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 요소는 그림의 각각의 요소가 픽셀(그림 요소의 축소)로 지칭되는 바와 동일한 의미로 웩셀로 지칭된다. 픽셀은 색깔(예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 등)을 한정하는 정보의 채널을 포함한다. 웩셀은 가상 현실 공간에 용접 가능한 표면을 형성하는 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 처리된다. 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, 용접 쿠폰의 용접 가능한 부분은 용접된 비드, 액체 금속으로 인한 희미한(shimmering) 표면 "퍼들", 열로 인한 색깔을 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 또한 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 맵상의 입자 효과만 시각적으로 보여진다. 웩셀에 입력된 열은 입자 가까이의 이동에 영향을 끼친다. 퍼들 및 변위를 포함하는 용접 퍼들을 시뮬레이팅할 때에 포함되는 2개의 타입의 변위가 있다. 퍼들은 "일시적"이며 또한 오직 입자 및 열이 제공되는 한 지속된다. 변위는 "영구적"이다. 퍼들 변위는 급속히 변하는(예를 들어, 희미해지는) 용접의 액체 금속이며, 또한 변위의 "상부에 있는" 것으로 생각될 수 있다. 입자는 가상 표면 변위 맵의 일부(즉, 웩셀 맵)를 덮어씌운다. 변위는 초기 베이스 금속 및 응고된 용접 비드 모두를 포함하는 영구적인 고체 금속을 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따라, 가상 현실 공간에서 시뮬레이트된 용접 프로세스는 하기와 같이 작용한다. 입자는 얇은 콘(cone)의 에미터(emitter)[시뮬레이트된 MWT(160)의 에미터]로부터 흐른다. 입자는 표면이 웩셀 맵에 의해 형성되는 시뮬레이트된 용접 쿠폰의 표면과 먼저 접촉한다. 입자는 서로 그리고 웩셀 맵과 상호작용하며, 또한 실시간으로 축적된다. 웩셀이 에미터에 가까울수록 더 많은 열이 추가된다. 열은 아크 지점으로부터의 거리 및 열이 아크로부터 입력되는 시간의 양에 따라 모델링된다. 임의의 시각자료(예를 들어, 색깔, 등)가 열에 의해 구동된다. 용접 퍼들은 충분한 열을 갖는 웩셀을 위해 가상 현실 공간에서 드로잉 또는 렌더링된다. 이것이 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. 에미터가 용접 궤도를 따라 이동할 때, 웩셀 위치는 차갑게 남겨진다. 열이 웩셀 위치로부터 특정한 비율로 제거된다. 냉각 임계치에 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. 가상 용접 시스템(100)에서 모델링된 임의의 입자 특성은 끌림/반발, 속도(열과 관련된), 댐프닝(dampening)(열 소산과 관련된), 방향(중력과 관련된)을 포함한다.

도 24a-24c는 도 1의 가상 용접 시스템(1)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.

여기에 서술되는 바와 같이, "퍼들"은 퍼들값이 입자의 존재로 인해 상승되는 웩셀 맵의 영역에 의해 한정된다. 샘플링 프로세스가 도 24a-24c에 도시되어 있다. 웩셀 맵의 섹션은 7개의 인접한 웩셀을 갖는 것으로 도시되어 있다. 전류 변위값은 주어진 변위(즉, 각각의 웩셀에 대한 주어진 변위)의 음영이 없는(un-shaded) 직사각형 바아(1910)에 의해 도시된다. 도 24a에 있어서, 입자(1920)는 전류 변위 레벨과 충돌하는 음영이 없는 둥근 점(dot)으로서 도시되었으며, 또한 쌓여있다. 도 24b에 있어서, "가장 높은" 입자 높이(1930)가 각각의 웩셀 위치에서 샘플링된다. 도 24c에 있어서, 어두운(shaded) 직사각형(1940)은 입자의 결과로서 얼마나 많은 퍼들이 변위의 상부에 추가되었는지를 도시하고 있다. 용접 퍼들 높이는 퍼들이 열에 기초하여 특정한 액화 비율로 추가되기 때문에, 샘플링된 값으로 즉시 설정되지 않는다. 도 24a-24c에는 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 개수는 고정된다. 또한, 유동성을 모델링하기 위해 시뮬레이션에 의해 발생된 퍼들 입자는 여기에 서술되는 바와 같이 일시적이다. 따라서, 일단 가상 용접 시스템(100)을 사용하여 시뮬레이트된 용접 프로세스 중 가상 현실 공간에 초기 퍼들이 발생되면, 웩셀 더하기 퍼들 입자의 개수는 상당히 일정하게 유지하려는 경향을 갖는다. 이것은 용접 프로세스 중 프로세싱된 웩셀의 개수가 고정되고 또한 존재하는 퍼들 입자의 개수가 프로세싱되어, 퍼들 입자가 생성되고 또한 유사한 비율로 "소멸"되기 때문에 상대적으로 일정한 비율을 유지하려는 경향을 갖기 때문이다(즉, 퍼들 입자는 일시적이다). 따라서, PPS(110)의 프로세싱 부하는 시뮬레이트된 용접 세션 중 상대적으로 일정하게 유지된다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 퍼들 입자는 용접 쿠폰의 표면 내에 또는 아래로 발생될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 변위는 처녀(즉, 용접되지 않은) 용접 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 개수는 아직 고정되어 있으며 또한 생성 및 소멸되는 퍼들 입자는 아직 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. 여기에 사용되는 바와 같이, 복셀(예를 들어, 용적 픽셀)은 용적 요소이며, 3차원 공간에서서 규칙적인 그리드상의 값을 나타낸다. 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, 물질을 멀리 취함으로써 블로우스루(blowthrough) 또는 키홀(key-hole)이 시뮬레이트된다. 예를 들어, 사용자가 현실 세계에서 아크를 동일한 위치에 너무 길게 유지하면, 물질이 타버려서 구멍을 유발시킨다. 이러한 현실-세계 용락은 웩셀 대량파괴(decimation) 기술에 의해 가상 용접 시스템(100)에서 시뮬레이트된다. 웩셀에 의해 흡수된 열의 양이 가상 용접 시스템(100)에 의해 너무 큰 것으로 결정되면, 그 웩셀은 플래그되거나 또는 타버린 것으로 지정될 수 있고 그리고 그에 따라 렌더링될 수 있다(예를 들어, 구멍으로서 렌더링된다). 그러나, 차후에, 초기에 타버린 후에 물질이 다시 추가되는 임의의 용접 프로세스(예를 들어, 파이프 용접)를 위해 웩셀 재-구성이 발생할 수 있다. 일반적으로, 가상 용접 시스템(100)은 웩셀 대량파괴(물질을 멀리 취하여) 및 웩셀 재구성(즉, 물질을 다시 추가하여)을 시뮬레이트한다. 또한, 루트-패스 용접에서 물질을 제거하는 것이 가상 용접 시스템(100)에서 적절히 시뮬레이트된다.

또한, 루트-패스 용접에서 물질을 제거하는 것이 가상 용접 시스템(100)에서 적절히 시뮬레이트된다. 예를 들어, 현실 세계에서, 루트 패스의 연마는 후속의 용접 프로세스 전에 실행될 수 있다. 유사하게, 가상 용접 시스템(100)은 가상 용접 조인트로부터 물질을 제거하는 연마 통과를 시뮬레이트할 수 있다. 제거된 물질은 웩셀 맵상에서 네거티브 변위로서 모델링될 수 있음이 인식될 것이다. 즉, 연마 통과는 변경된 비드 윤곽으로 나타나는 가상 용접 시스템에 의해 모델링되는 물질을 제거한다. 연마 통과의 시뮬레이션은 자동적일 수 있으며, 이것은 가상 용접 시스템(100)이 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 세계 연마기와 유사하게 시뮬레이트될 수 있음을 인식해야 한다. 이 실시예에 있어서, 사용자는 그 이동에 응답하여 물질을 제거하기 위해 루트 패스를 따라 연마 툴을 연습한다. 사용자는 너무 많은 물질을 제거하는 것이 허용될 수 있음이 인식될 것이다. 전술한 바와 유사한 방식으로, 구멍 또는 다른 결함(전술한)은 사용자가 너무 많은 물질을 연마시켜 버리면 나타날 수 있다. 아직까지, 사용자가 너무 많은 물질을 제거하는 것을 방지하기 위해 또는 너무 많은 물질이 제거되었음을 나타내기 위해 엄격한 제한 또는 정지가 실시될 수 있다. 즉, 프로그램될 수 있다

여기에 서술된 비-시각적인 "퍼들"에 추가하여, 또한 가상 용접 시스템(100)은 본 발명의 실시예에 따라 아크, 화염, 및 스파크 효과를 나타내기 위해 3개의 다른 타입의 시각적 입자를 사용하고 있다. 이들 타입의 입자는 임의의 타입의 다른 입자와 상호작용하지 않지만, 그러나 오직 변위 맵과만 상호작용한다. 이들 입자는 시뮬레이트된 용접 표면과 충돌하지만, 이들은 서로 상호작용하지 않는다. 오직 퍼들 입자만 본 발명의 실시예에 따라 서로 상호작용한다. 스파크 입자의 물리학적 특성은 스파크 입자가 둘레로 튀고 또한 가상 현실 공간에서 작열하는(glowing) 점으로서 렌더링되도록 설정된다.

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

화염 입자의 물리학적 특성은 상향으로 협소하게 상승하도록 모델링된다. 화염 입자는 중간 크기의 어둑어둑한 적색-황색 점으로서 렌더링된다. 이것은 임의의 종류의 시각적 영상을 형성하도록 중첩된 이런 많은 점들을 취한다. 최종 결과는 상향으로 상승하고 또한 희미해지는 적색 엣지를 갖는 오렌지-적색 화염의 방울이다. 다른 타입의 비-퍼들 입자가 본 발명의 다른 실시예에 따라 가상 용접 시스템(100)에서 실시될 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 취급된다. 정점 및 픽셀 쉐이더는 표면 색깔 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 처녀 비트[진실=비드, 거짓=처녀강(virgin steel)], 슬래그 비트, 언더컷 값(제로가 언더컷이 없는 것과 동일한 이 웩셀에서 언더컷의 양), 다공성 값(제로가 다공성이 없는 것과 동일한 이 웩셀에서 다공성의 양), 및 비드가 응고되는 시간을 엔코딩하는 비드 웨이크 값을 포함한다. 처녀강, 슬래그, 비드, 및 다공성을 포함하는 상이한 용접 쿠폰 시각자료와 관련된 영상 맵의 세트가 있다. 이들 영상 맵은 범프(bump) 맵핑 및 텍스처 맵핑 모두를 위해 사용된다. 이들 영상 맵의 블렌딩의 양은 여기에 서술된 다양한 플래그 및 값에 의해 제어된다.

비드 웨이크 효과는 1D 영상 맵 및 비드의 주어진 비트가 응고되는 시간을 엔코딩하는 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 비드에 비드가 놓여졌던 방향을 묘사하는 그 독특한 외형을 제공하는 "리플(ripple)"을 드로잉하기 위해, 쉐이더 코드가 1D 텍스처 맵을 사용할 수 있는 것이다. 본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 가상 용접 시스템(100)은 시뮬레이트된 용접 퍼들이 용접 궤도를 따라 이동될 때, 가상 현실 공간에서 시뮬레이트된 용접 퍼들의 실시간 유동성-응고 전이(transition)로 나타나는 실시간 용접 비드 웨이크 특성을 갖는 용접 비드를 시뮬레이트 및 디스플레이할 수 있다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 가상 용접 시스템(100)은 사용자가 용접 장치를 어떻게 수리할지를 가르칠 수 있다. 예를 들어, 시스템의 수리 모드는 사용자가 시스템을 정확하게(예를 들어, 정확한 가스 흐름율, 정확한 전력 코드 연결형, 등) 설치하는 것을 보장하도록 훈련시킬 수 있다. 본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따라, 가상 용접 시스템(100)은 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 비평할 수 있다. 따라서 선택 가능한 속도로(예를 들어, 완전 속도로, 절반 속도로, 1/4 속도로) 재생(playback)이 제공될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 분할-스크린 재생이 제공될 수 있어서, 2개의 용접 세션이 예를 들어 ODD(150)상에 나란히 관찰되는 것을 허용한다. 예를 들어, 비교 목적을 위해 "나쁜" 용접 세션에 다음에 "좋은" 용접 세션이 관찰될 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 추적될 수 있는 적어도 하나의 모의 용접 툴, 및 프로그램 가능한 프로세서-기반 서브 시스템에 작동 가능하게 연결되는 적어도 하나의 디스플레이 장치를 포함하는 실시간 가상 현실 용접 시스템이 서술된다. 가상 현실 용접 시스템은 휴대형 사용을 수용하도록 설계되며, 거기에서 모의 용접 툴에 사용하기 위한 공간에 용접 쿠폰을 보유하도록 콤팩트 가능한 스탠드가 사용된다. 모의 용접 툴은 복수개의 어댑터에 결합할 수 있는 공통 베이스를 포함하며, 거기에서 각각의 어댑터는 특정한 용접 타입을 시뮬레이트한다. 이 방식으로, 시스템은 가상 현실 공간에서 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 갖는 용접 퍼들을 시뮬레이트할 수 있다. 또한, 시스템은 시뮬레이트된 용접 퍼들을 디스플레이 장치상에 실시간으로 디스플레이할 수 있다.

위의 예는 단순히 본 발명의 다양한 양태의 여러 가능한 실시예를 나타내고 있으며, 이 명세서 및 첨부의 도면을 읽고 그리고 이해한 본 기술분야의 숙련자에게 등가의 변경 및/또는 수정이 발생할 것이다. 특히, 전술한 부품들(조립체, 장치, 시스템, 회로, 등)에 의해 수행된 다양한 기능에 대해, 이러한 부품을 서술하기 위해 사용된 용어("수단"에 대한 기준을 포함하는)는 달리 표시하지 않는 한 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합과 같은 임의의 부품에 대응하는 것으로 의도되며, 이것은 본 발명의 도시된 실시에서의 기능을 수행하는 서술된 구조와 구조적으로 등가이지 않더라도, 서술된 부품(예를 들어, 기능적으로 등가인)의 특정한 기능을 수행한다. 또한, 본 발명의 특정한 특징이 여러가지 실시 중 오직 하나에 대해서만 서술될 수 있더라도, 이러한 특징은 원하거나 또는 임의의 주어진 또는 특정한 적용에 유리할 수 있을 때 다른 실시의 하나 이상의 다른 특징과 조합될 수 있다. 또한, "포함하는", "포함하다", "갖는", "갖다", "구비하는"과 같은 용어 또는 그 파생어가 상세한 설명 및/또는 청구범위에 사용되었다는 점에서, 이러한 용어는 "포함하는"이라는 용어와 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다. 여기에 사용된 바와 같이, "데이텀" 및 "데이텀 위치"라는 용어는 측정이 이루어지는 기준을 지칭한다.

이 기재된 서술은 최적의 모드를 포함하는 본 발명을 서술하기 위해 또한 본 기술분야의 숙련자 중 하나가 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 또한 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하는 본 발명을 시행할 수 있게 하기 위해 예를 사용하고 있다. 본 발명의 특허허여 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 또한 본 기술분야의 숙련자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는 이들이 청구범위의 문자 그대로의 언어와는 상이하지 않은 구조적 요소를 갖고 있다면, 또는 이들이 청구범위의 문자 그대로의 언어와 실체 없는 차이를 갖는 등가의 구조적 요소를 포함한다면, 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

100: 가상 용접 시스템 318: 인터페이스
110: 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템
400: 스틱 용접 툴
111: 중앙 처리 장치 410: 시뮬레이트된 스틱 전극
112: 메모리 422: 홀더
114: 프로세서 500: 순산소 토치
115: 그래픽 처리 장치 510: 노즐
116: 계산 통합 장치 구조 518: 인터페이스
117: 쉐이더 520: 푸시 버튼
118: 비디오 출력 522: 컬러
119: 비디오 출력 600: 베이스
120: 공간 트래커 610: 인터페이스
130: 용접 사용자 인터페이스 614: 랜딩
132: 조이스틱 616: 딤플
140: 면-장착된 디스플레이 장치 618: 푸시 버튼
142: 센서 620: 본체
146: 헬멧 630: 하드-와이어 케이블
150: 디스플레이 장치 640: 고정구
160: 모의 용접 툴 652: 센서
162: 어댑터 654: 케이블
166: 베이스 658: 고정구
168: 센서 672: 베인
170: 스탠드 700: 스탠드
172: 자석 710: 자석
178: 미리 결정된 거리 714: 아암
180: 용접 쿠폰 722: 직립부
200: 시스템 724: 베이스
300: 용접 건 732: 플런저
310: 노즐 738: 랜딩
312: 튜브 758: 용접 쿠폰
762: 핀 1217: 비드 렌더링
764: 핀 1218: 3D 텍스처
766: 구멍 1219: 시각적 단서 기능성
768: 구멍 1220: 스코어링/오차 허용도 기능성
800: 모의 용접 툴 1221: 오차 허용도 에디터
810: 컨테이너 1222: 공간 효과
830: 사용자 인터페이스 1300: 방법
832: 선택기 1310: 단계
836: 온도 게이지 1320: 단계
838: 전류 게이지 1330: 단계
842: 전압 게이지 1340: 단계
854: 단계 1350: 단계
856: 단계 1400: 평탄 용접 쿠폰
860: 대안적인 사용자 인터페이스 1410: 평탄한 상부 표면
900: 헬멧 1420: 변위 맵
1201: 물리적 인터페이스 1421: 웩셀
1202: 토치/클램프 모델 1600: 용접 쿠폰
1203: 환경 모델 1610: 표면
1204: 사운드 성분 기능성 1620: 표면
1205: 용접 사운드 1700: 파이프 용접 쿠폰
1206: 스탠드/테이블 모델 1710: 굴곡된 표면
1207: 내부 구조 기능성 1910: 직사각형 바아
1208: 보정 기능성 1920: 입자
1210: 용접 쿠폰 모델 1930: 입자 높이
1211: 용접 물리학적 특성 1940: 어두운 직사각형
1212: 내부 물리학적 조정 툴 6010: 스틱 전극
1213: 사용자 인터페이스 기능성 7018: 스틱 전극
1214: 그래핑 기능성
1215: 학생 보고서 기능성 B: 지점
1216: 렌더러 D: 정보의 채널
E: 지점/정보의 채널 H: 정보의 채널
O: 지점 O': 선
P: 정보의 채널 S: 텍스처 좌표
T: 텍스처 좌표 U: 텍스처 좌표
V: 텍스처 좌표 X: 지점
X': 선 Y: 지점
Z: 지점

Claims (19)

1. 가상 용접 시스템(100)에 있어서,
   프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템(110);
   상기 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템(110)에 작동 가능하게 연결된 공간 트래커(120);
   상기 공간 트래커(120)에 의해 공간적으로 추적될 수 있는 모의 용접 툴(160)을 포함하며,
   상기 모의 용접 툴(160)은
   두 개 이상의 어댑터(162); 및
   상기 두 개 이상의 어댑터(162) 각각에 제거 가능하게 연결된 베이스(166)를 포함하며,
   각각의 어댑터(162)는 특정한 용접 타입의 현실-세계 외형을 모방하고,
   상기 베이스(166)는 상기 공간 트래커(120)에 대한 공간 위치를 결정하기 위한 하나 이상의 센서(168)를 포함하며, 상기 두 개 이상의 어댑터(162) 각각은, 상기 베이스(166)와 인터페이스하며,
   상기 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템(110)은, 상기 두 개 이상의 어댑터(162) 각각에 상응하는 디스플레이를 면 장착된 디스플레이 장치 상에 렌더링 하기 위해, 각각의 어댑터(162)에 관련된 명령 세트를 실행하는 것인, 가상 용접 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 베이스(166) 내에 배치된 하나 이상의 센서(168); 및
   자석(172)에 대한 상기 모의 용접 툴(160)의 상대 위치를 식별하기 위해 상기 하나 이상의 센서(168)에 의해 추적되는, 공간 위치를 갖는 상기 자석(172)을 더 포함하는, 가상 용접 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   적어도 하나의 표면을 가지며 용접될 현실 세계 부분을 시뮬레이트하는 용접 쿠폰(180)을 더 포함하며, 상기 용접 쿠폰(180)은 상기 자석(172)으로부터 알려진 거리에 배치되며, 상기 용접 쿠폰(180)의 상기 적어도 하나의 표면은 가상 현실 공간에서 고형 변위층 및 퍼들 변위층을 포함하는 이중 변위층으로서 시뮬레이트되며, 상기 퍼들 변위층은 상기 고형 변위층을 수정할 수 있으며,
   상기 자석(172) 및 상기 용접 쿠폰(180)을 미리 결정된 공간 관계로 지지하도록 스탠드(170)가 제공될 수 있는 것인, 가상 용접 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   사용자에 의해 착용되는 헬멧(146); 및
   면 장착된 디스플레이 장치(150) 상에 디스플레이되었을 때 상기 모의 용접 툴(160)의 사용자에게 실시간 시각적 피드백을 제공하여, 사용자가 상기 실시간 시각적 피드백에 응답하여 용접 기술을 실시간으로 조정 또는 유지하게 하기 위해, 시뮬레이트된 용접 퍼들의 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 디스플레이하는, 상기 헬멧(146) 내에 배치된 상기 면 장착된 디스플레이 장치(150)를 더 포함하는, 가상 용접 시스템.
5. 제4항에 있어서, 헬멧(146) 위치는 상기 공간 트래커(120)에 의해 결정되며, 상기 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템(110)에 통신되는 것인, 가상 용접 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   자석(172)에 대한 상기 헬멧(146)의 공간 위치를 추적하기 위해 상기 헬멧(146) 내에 배치된 하나 이상의 센서(168)를 더 포함하는, 가상 용접 시스템.
7. 가상 용접 시스템(100) 내에 사용되는 모의 용접 툴(160)에 있어서,
   두 개 이상의 어댑터(162); 및
   상기 두 개 이상의 어댑터(162)의 각각에 제거 가능하게 연결된 베이스(166)를 포함하며,
   상기 각각의 어댑터(162)는 특정한 용접 타입의 물리적 특성을 모방하며, 상기 베이스(166)는 데이텀 위치(datum location)에 대한 상기 모의 용접 툴(160)의 실시간 공간 위치를 식별하고,
   상기 베이스(166)는 공간 트래커(120)에 대한 공간 위치를 결정하기 위한 하나 이상의 센서(168)를 포함하며, 상기 두 개 이상의 어댑터(162) 각각은, 상기 베이스(166)와 인터페이스하고,
   프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템(110)은, 상기 두 개 이상의 어댑터(162) 각각에 상응하는 디스플레이를 면 장착된 디스플레이 장치 상에 렌더링 하기 위해, 각각의 어댑터(162)에 관련된 명령 세트를 실행하는 것인, 모의 용접 툴.
8. 제7항에 있어서,
   상기 데이텀 위치는 용접될 현실 세계 부분을 시뮬레이트할 때 적어도 하나의 표면을 갖는 용접 쿠폰(180)이며, 상기 용접 쿠폰(180)은 적어도 하나의 표면을 가지며 용접될 현실-세계 부분을 시뮬레이트하며, 상기 용접 쿠폰(180)의 상기 적어도 하나의 표면은 가상 현실 공간에서 고형 변위층 및 퍼들 변위층을 포함하는 이중 변위층으로서 시뮬레이트되며, 상기 퍼들 변위층은 상기 고형 변위층을 수정할 수 있는 것인, 모의 용접 툴.
9. 제8항에 있어서,
   상기 용접 쿠폰(180)에 대한 미리 결정된 위치에 배치되는 자석(172)을 더 포함하며,
   상기 용접 쿠폰(180)에 대한 상기 자석(172)의 공간 위치를 고정하는 스탠드(170)가 제공될 수 있으며;
   하나 이상의 센서(168)는 상기 베이스(166) 내에 배치될 수 있으며, 상기 하나 이상의 센서는 상기 자석(172)에 대한 상기 베이스(166)의 위치를 결정하는 것인, 모의 용접 툴.
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스(166)의 제1 단부에 배치된 인터페이스(610)를 더 포함하며, 상기 인터페이스는, 상기 베이스에 대한 각각의 어댑터의 제거 가능한 기계적 연결을 가능하게 하는 것인, 모의 용접 툴.
11. 제10항에 있어서,
    상기 인터페이스는 상기 베이스(166)에 대해 각 어댑터(162)의 제거 가능한 기계적 연결을 가능하게 하기 위해 상기 어댑터(162) 내에서 적어도 하나의 제2 기계적 특징부에 대하여 보조적인 적어도 하나의 제1 기계적 특징부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 기계적 특징부는 랜딩(landing) 및 딤플(dimple)을 각각 포함하는 것인, 모의 용접 툴.
12. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스(166)는 가상 용접 시스템(100) 내에서 실제 용접 상태를 나타내는데 사용되는 트리거를 더 포함하는 것인, 모의 용접 툴.
13. 가상 현실 용접 시스템(100) 내에서 모의 용접 툴(160)을 사용하는 방법에 있어서,
    제1 용접 타입과 관련되는 제1 어댑터(162)를 베이스(166)에 제거 가능하게 연결하는 단계;
    상기 가상 현실 용접 시스템이 상기 제1 어댑터(162)에 관련된 명령 세트를 로딩하여 실행하게 하기 위해 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템에 상기 제1 어댑터(162)를 식별시키고, 상기 제1 어댑터(162)에 관련된 명령 세트를 면 장착된 디스플레이 장치 상에 디스플레이로서 렌더링 하는 단계;
    상기 베이스(166)로부터 상기 제1 어댑터(162)를 제거하는 단계;
    제2 용접 타입과 관련되는 제2 어댑터(162)를 상기 베이스(166)에 제거 가능하게 연결하는 단계; 및
    상기 가상 현실 용접 시스템이 상기 제2 어댑터(162)에 관련된 명령 세트를 로딩하여 실행하게 하기 위해 상기 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템에 상기 제2 어댑터(162)를 식별시키고, 상기 제2 어댑터(162)에 관련된 명령 세트를 면 장착된 디스플레이 장치 상에 디스플레이로서 렌더링 하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 베이스는 용접 쿠폰(180)에 대한 상기 모의 용접 툴(160)의 공간 위치를 결정하는 하나 이상의 센서(168)를 포함하며, 상기 베이스(166)의 위치는 디스플레이에 실시간으로 업데이트되며,
    상기 제1 및 제2 어댑터(162) 각각은, 상기 베이스(166)와 인터페이스하는 것인, 가상 현실 용접 시스템 내에서 모의 용접 툴을 사용하는 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 용접 쿠폰(180)에 대해 알려진 위치에 배치되는 자석(172)을 더 포함하며, 상기 센서(168)는 상기 자석(172)의 위치를 결정하고, 적어도 상기 자석(172)의 위치에 기초하여 상기 용접 쿠폰(180)의 위치를 계산하는 것인, 모의 용접 툴을 사용하는 방법.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제1 용접 타입과 관련되는 제1 어댑터(162)를 베이스(166)에 제거 가능하게 연결하는 단계와, 상기 베이스(166)로부터 상기 제1 어댑터(162)를 제거하는 단계 사이에,
    제1 용접 기술에 따라 상기 제1 어댑터(162)를 구비한 상기 모의 용접 툴(160)을 상기 용접 쿠폰(180)에 대해 이동시키는 단계;
    상기 가상 현실 용접 시스템(100)을 사용하여 상기 제1 어댑터(162)를 구비한 상기 모의 용접 툴(160)을 3차원 공간에서 추적하는 단계;
    상기 제1 어댑터(162)를 구비한 상기 모의 용접 툴(160)로부터 방출되는 시뮬레이트된 아크의 근방에 시뮬레이트된 제1 용접 퍼들을 형성함으로써, 상기 제1 어댑터(162)를 구비한 상기 시뮬레이트된 모의 용접 툴(160)이 상기 시뮬레이트된 용접 쿠폰(180)의 적어도 하나의 시뮬레이트된 표면상에 시뮬레이트된 제1 용접 비드 물질을 침적할 때, 가상 현실 공간에 상기 제1 어댑터(162)를 구비한 상기 모의 용접 툴(160) 및 상기 용접 쿠폰(180)의 실시간 가상 현실 시뮬레이션을 나타내는 상기 가상 현실 용접 시스템(100)의 디스플레이를 관찰하는 단계;
    상기 디스플레이상에서 상기 시뮬레이트된 제1 용접 퍼들의 제1 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 관찰하는 단계; 및
    상기 시뮬레이트된 제1 용접 퍼들의 상기 제1 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성의 관찰에 응답하여, 상기 제1 용접 기술의 적어도 하나의 양태를 실시간으로 수정하는 단계를 더 포함하는, 모의 용접 툴을 사용하는 방법.
16. 제6항에 있어서,
    상기 센서는 정전용량 센서, 압전 센서, 적외선 근접 센서, 홀 효과 센서, 와전류 센서, 유도성 센서, 및 초음파 센서 중 하나 이상인 것인, 가상 용접 시스템.
17. 제9항에 있어서,
    상기 센서는 프로그램 가능한 프로세서 기반 서브 시스템(110)에 그 위치를 통신하는 것인, 모의 용접 툴.
18. 제12항에 있어서,
    상기 트리거는 각각의 어댑터 내에서 슬리브를 통해 결합되며, 상기 슬리브는 상기 어댑터를 통해 사용자에 의한 실제 용접 상태를 시작하도록 기계적으로 조정되는 것인, 모의 용접 툴.
19. 제15항에 있어서,
    상기 제2 용접 타입과 관련되는 제2 어댑터(162)를 상기 베이스(166)에 제거 가능하게 연결하는 단계 이후에,
    제2 용접 기술에 따라 상기 제2 어댑터(162)를 구비한 상기 모의 용접 툴(160)을 용접 쿠폰(180)에 대해 이동시키는 단계;
    상기 가상 현실 용접 시스템(100)을 사용하여 상기 제2 어댑터(162)를 구비한 상기 모의 용접 툴(160)을 3차원 공간에서 추적하는 단계;
    상기 제2 어댑터(162)를 구비한 상기 시뮬레이트된 모의 용접 툴(160)로부터 방출된 시뮬레이트된 아크의 근방에 시뮬레이트된 제2 용접 퍼들을 형성함으로써, 상기 제2 어댑터(162)를 구비한 상기 시뮬레이트된 모의 용접 툴(160)이 상기 시뮬레이트된 용접 쿠폰(180)의 적어도 하나의 시뮬레이트된 표면상에 시뮬레이트된 제2 용접 비드 물질을 침적할 때, 가상 현실 공간에 상기 제2 어댑터(162)를 구비한 상기 모의 용접 툴(160) 및 상기 용접 쿠폰(180)의 실시간 가상 현실 시뮬레이션을 나타내는 상기 가상 현실 용접 시스템(100)의 디스플레이를 관찰하는 단계;
    상기 디스플레이상에서 상기 시뮬레이트된 제2 용접 퍼들의 제2 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 관찰하는 단계; 및
    상기 시뮬레이트된 제2 용접 퍼들의 상기 제2 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성의 관찰에 응답하여, 상기 제2 용접 기술의 적어도 하나의 양태를 실시간으로 수정하는 단계를 더 포함하는, 모의 용접 툴을 사용하는 방법.

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