KR102222983B1 - 가상 현실 환경에서의 향상된 교육 및 훈련을 제공하는 시스템 및 방법 - Google Patents

가상 현실 환경에서의 향상된 교육 및 훈련을 제공하는 시스템 및 방법 Download PDF

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링컨 글로벌, 인크.
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Abstract

훈련 목적의 가상 현실 시뮬레이션을 제공하는 가상 현실 아크 용접 시스템. 용접 실습생을 훈련시키는 것을 보조하기 위한 가상 현실 용접 시스템은, 인터넷 상의 웹 사이트에 대한 지능적 연결, 이상적인 용접 퍼들의 오버레이, 가상 테스팅 결과에 기초한 권장 시정 조치, 안전상의 위험성을 갖는 가상 환경의 시뮬레이션, 부적절하게 설정된 용접 파라미터와 용접 결함 및 불연속부 사이의 관계의 시뮬레이션을 제공할 수도 있다.

Description

가상 현실 환경에서의 향상된 교육 및 훈련을 제공하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS PROVIDING ENHANCED EDUCATION AND TRAINING IN A VIRTUAL REALITY ENVIRONMENT}
본 미국 특허 출원은 2011년 4월 7일자로 출원되어 계류 중인 미국 특허 출원 제 13/081,725호에 대한 우선권을 주장하며 이 미국 특허 출원 제 13/081,725호의 일부 계속(continuation-in-part; CIP) 특허 출원이며, 미국 특허 출원 제 13/081,725호는 참조에 의해 본원에 통합되며 2010년 5월 27일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/349,029호에 대한 우선권을 주장하고, 또한 참조에 의해 본원에 통합되는 2009년 7월 10일자로 출원되어 계류 중인 미국 특허 출원 제12/501,257호에 대한 우선권을 추가로 주장하며 이 미국 특허 출원 제12/501,257호의 일부 계속 (CIP) 특허 출원이다.
기술분야
소정의 실시형태는 가상 현실 시뮬레이션에 관련된다. 특히, 소정의 실시형태는 가상 환경에서 용접 교육 및 훈련을 향상시키기 위한 시스템 및 방법에 관련된다.
배경
실 세계의 용접 및 훈련에서, 용접 실습생(welding student)은 고가일 수 있는 실제 용접용 기기 및 재료를 사용해야 할 수도 있다. 또한, 실 세계의 용접 환경은 실습생에게 안정 상의 문제를 야기할 수 있고, 따라서, 교육 기관(instructing institution)은 비용이 많이 들 수 있는 중요한 책임 보험에 가입해야 할 수도 있다. 용접 실습생이 그가 잘못하고 있는 것을 쉽게 이해하고, 바로 잡는 능력은 실 세계 용접 환경에서는 많은 시간이 걸릴 수 있고 용접 강사(welding instructor)의 많은 시간을 소비할 수 있다. 또한, 추가적인 교육 자료 또는 용접 강사에 대한 즉각적인 접근성의 능력은 실 세계 용접 환경에서 극히 제한될 수도 있다.
종래의 전통적인 그리고 제안된 접근법의 추가적인 제한사항 및 단점은, 도면을 참조로 본 출원의 나머지 부분에서 설명되는 바와 같은 본 발명의 실시형태와 이러한 접근법의 비교를 통해, 기술분야에서 숙련된 자에게는 명백해질 것이다.
개요
청구항 제11항에 기재된 일 실시형태는 가상 현실 아크 용접 시스템을 제공한다. 시스템은 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로(operatively) 연결된 공간 추적기(spatial tracker), 공간 추적기에 의해 공간적으로 추적되도록 구성된 적어도 하나의 모형 용접 툴(mock welding tool), 및 시스템에 정보를 입력하고 선택을 행하는 것 중 하나 이상을 유저가 수행하는 것을 허용하도록 구성된 적어도 하나의 유저 인터페이스를 포함한다. 시스템은 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결되며 외부 통신 인프라(external communication infrastructure)에 액세스하도록 구성된 통신 컴포넌트를 더 포함한다. 또한, 가상 현실 용접 시스템은, 유저 요청에 응답하여, 통신 컴포넌트를 사용하여 외부 통신 인프라를 통해 용접 교육 및 이론에 관련된, 인터넷 상의 하나 이상의 사전 식별된 웹 사이트로 유저를 안내하도록 구성된다. 유저, 사람인 용접 강사, 또는 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템 상에 구성된 지능형 에이전트 중 하나 이상에 의해 유저 요청이 유발되면, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결되며 통신 컴포넌트를 사용하여 외부 통신 인프라를 통해 유저와 원격 장소(location)에 있는 용접 강사 사이의 오디오 통신을 용이하게 하도록 구성된 하나 이상의 오디오 트랜듀서 디바이스를 시스템이 더 포함하면, 및/또는, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결되며 통신 컴포넌트를 사용하여 외부 통신 인프라를 통해 유저와 원격 장소에 있는 용접 강사 사이의 시각적 통신을 용이하게 하도록 구성된 하나 이상의 비디오 디바이스를 시스템이 더 포함하면, 및/또는, 가상 현실 용접 시스템이 또한, 통신 컴포넌트를 사용하여 외부 통신 인프라를 통해 원격 장소에 있는 원격 디바이스로부터 커맨드(command)를 수신하도록 구성되면(여기서 커맨드는 가상 현실 용접 시스템의 문제를 해결하는(troubleshooting) 것 또는 가상 현실 용접 시스템의 설정을 변경하는 것 중 하나 이상을 지시하도록 구성됨), 및/또는 핸드헬드 모바일 디바이스, 데스크탑 퍼스널 컴퓨터 디바이스, 또는 원격 유저에 의해 운영되는 서버 컴퓨터 중 하나를 원격 디바이스가 포함하면, 특히 바람직하다.
청구항 제1항에 기재된 다른 실시형태는 가상 현실 아크 용접 시스템을 제공한다. 시스템은 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결된 공간 추적기, 공간 추적기에 의해 공간적으로 추적되도록 구성된 적어도 하나의 모형 용접 툴, 및 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결된 적어도 하나의 디스플레이 디바이스를 포함한다. 시스템은, 가상 현실 환경에서, 유저에 의한 적어도 하나의 모형 용접 툴의 조작(manipulation)에 응답하는 그리고 실시간 용융 금속 유동성(fluidity) 및 열 소산 특성(heat dissipation characteristic)을 갖는 용접 퍼들을 시뮬레이팅하도록, 그리고 시뮬레이팅된 용접 퍼들을 적어도 하나의 디스플레이 디바이스에 실시간으로 디스플레이하도록 구성된다. 시스템은 또한, 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 적어도 하나의 특성이 적어도 하나의 특성의 이상적인 양으로부터 미리 결정된 양보다 많이 벗어나면, 시뮬레이팅된 용접 퍼들 상에 이상적인 용접 퍼들의 이미지를 오버레이하여 디스플레이하도록 구성된다.
청구항 제12항에 기재된 추가 실시형태는 가상 현실 아크 용접 시스템을 제공한다. 시스템은 코딩된 명령을 실행하도록 동작가능한 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템을 포함한다. 코딩된 명령은 가상 현실 용접 시스템 상에 유저에 의해 생성된 가상 용접물(weldment)의 3차원(three-dimensional; 3D) 렌더링을 생성하도록 구성된 렌더링 엔진을 포함한다. 코딩된 명령은, 3D 가상 용접물의 시뮬레이팅된 테스팅을 수행하도록 그리고 대응하는 테스트 데이터를 생성하도록 구성된 분석 엔진을 더 포함한다. 코딩된 명령은, 적어도 테스트 데이터에 기초하여, 유저에 대한 권장 시정 조치(recommended corrective action)를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 지능형 에이전트(intelligent agent; IA)를 또한 포함한다. 권장 시정 조치가 변경되어야 할 유저의 용접 기술을 포함하면, 및/또는, 권장 시정 조치가 유저에 의해 고찰되어야 할 가상 현실 용접 시스템 상에 저장된 훈련 자료를 포함하면, 및/또는, 권장 시정 조치가 유저에 의해 완성되어야 할 커스터마이징된 훈련 프로젝트(customized training project)를 포함하면, 및/또는, 권장 시정 조치가 유저에 의해 변경되어야 할 가상 현실 용접 시스템의 셋업을 포함하면, 특히 바람직하다.
청구항 제13항에 기재된 다른 실시형태는 방법을 제공한다. 방법은 가상 현실 용접 시스템의 하나 이상의 디스플레이 디바이스 상에서 가상 용접 환경을 유저에게 디스플레이하는 것을 포함하는데, 가상 용접 환경은 가상 현실 용접 시스템에 의해 생성되고 가상 용접 환경 내에서의 하나 이상의 위험한 상태(unsafe condition)를 시뮬레이팅한다. 방법은, 가상 현실 용접 시스템의 유저 인터페이스를 통해 유저가 가상 현실 용접 시스템에 대한 하나 이상의 위험한 상태를 정확하게 식별한 후, 유저가 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 가상 용접 작업을 계속 수행하는 것을 허용하는 것을 더 포함한다.
청구항 제6항에 기재된 추가 실시형태는 방법을 제공한다. 방법은 용접 프로세스에 대한 복수의 용접 파라미터를 가상 현실 용접 시스템 상에 설정하는 것을 포함하는데, 용접 파라미터 중 적어도 하나는 용접 프로세스에 대해 부적절하게 설정된다. 방법은, 설정된 복수의 용접 파라미터를 갖는 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 유저가 가상 용접 작업을 수행하여 가상 용접물을 생성하는 것을 또한 포함한다. 방법은, 유저가, 가상 현실 용접 시스템의 적어도 하나의 디스플레이 디바이스 상의 가상 용접물을 관측하고 관측에 기초하여 적어도 하나의 부적절하게 설정된 용접 파라미터를 식별하도록 시도하는 것을 더 포함한다.
청구되는 본 발명의 이들 및 다른 특징뿐만 아니라 본 발명의 예시된 실시형태의 상세는 하기의 설명 및 도면으로부터 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 실시간의 가상 현실 환경에서 아크 용접 훈련을 제공하는 시스템의 시스템 블록도의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 2는 도 1의 시스템의 결합된 시뮬레이팅된 용접 콘솔 및 관측자 디스플레이 디바이스(observer display device; ODD)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 3은 도 2의 관측자 디스플레이 디바이스(ODD)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 4는 물리적인 용접용 유저 인터페이스(welding user interface; WUI)를 도시하는 도 2의 시뮬레이팅된 용접 콘솔의 전면부의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 5는 도 1의 시스템의 모형 용접 툴(mock welding tool; MWT)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 6은 도 1의 시스템의 테이블/스탠드(table/stand; T/S)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 7a는 도 1의 시스템의 파이프 용접 쿠폰(welding coupon; WC)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 7b는 도 6의 테이블/스탠드(T/S)의 암에 장착된 도 7a의 파이프 WC를 예시한다;
도 8은 도 1의 공간 추적기(spatial tracker; ST)의 예시적인 실시형태의 다양한 엘리먼트를 예시한다;
도 9a는 도 1의 시스템의 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스(face-mounted display device; FMDD)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 9b는 도 9a의 FMDD가 유저의 머리 상에 어떻게 고정되는지의 예시이다;
도 9c는 용접용 헬멧 내에 장착된 도 9a의 FMDD의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 10은 도 1의 시스템의 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(programmable processor-based subsystem; PPS)의 서브시스템 블록도의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 11은 도 10의 PPS의 그래픽 처리 유닛(graphics processing unit; GPU)의 블록도의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 12는 도 1의 시스템의 기능적 블록도의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 13은 도 1의 가상 현실 훈련 시스템을 사용하여 훈련하는 방법의 한 실시형태의 플로우차트이다;
도 14a 및 도 14b는, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 용접 픽셀(welding pixel; 웩셀(wexel)) 변위 맵의 개념을 예시한다;
도 15는 도 1의 시스템에서 시뮬레이팅되는 편평한 용접 쿠폰(WC)의 용접 공간(weld space) 및 쿠폰 공간(coupon space)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 16은 도 1의 시스템에서 시뮬레이팅되는 코너(T 조인트(tee joint)) 용접 쿠폰(WC)의 용접 공간 및 쿠폰 공간의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 17은 도 1의 시스템에서 시뮬레이팅되는 파이프 용접 쿠폰(WC)의 용접 공간 및 쿠폰 공간의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 18은 도 17의 파이프 용접 쿠폰(WC)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 19a 내지 도 19c는 도 1의 시스템의 이중 변위 퍼들 모델(dual-displacement puddle model)의 개념의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 20은 가상 용접물의 검사를 시뮬레이팅할 수 있고 또한 용접물과 관련된 다양한 특성으로 인한 영향을 관측하기 위해 검사 중에 있는 가상 용접물의 애니메이션을 디스플레이할 수 있는 독립형(standalone) 가상 용접물 검사(virtual weldment inspection; VWI) 시스템의 한 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 21은 가상 현실 공간에서 렌더링된 베이스라인 가상 용접물의 품질을 평가하기 위한 방법의 예시적인 실시형태의 플로우차트를 예시한다;
도 22 내지 도 24는, 용접물의 동일한 가상 섹션에 대한 시뮬레이팅된 굽힘 테스트(bend test), 시뮬레이팅된 당김 테스트(pull test), 및 시뮬레이팅된 파단 테스트(break test)의 가상 애니메이션의 실시형태를 예시한다;
도 25는 실시간의 가상 현실 환경에서 아크 용접 훈련을 제공하는 시스템의 시스템 블록도의 제2 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 26은, 도 25의 가상 현실 아크 용접 시스템이 외부 통신 인프라를 통해 원격 디바이스와 어떻게 인터페이싱할 수도 있는지를 도시하는 시스템 블록도를 예시한다;
도 27은, 가상 용접 프로세스 동안 도 1 또는 도 25의 가상 현실 아크 용접 시스템을 사용하여 생성되는 디스플레이된 가상 용접의, 시뮬레이팅된 용접 퍼들을 나타내는, 예시적인 실시형태를 예시한다; 그리고
도 28은, 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 이미지 상에 이상적인 용접 퍼들의 이미지를 오버레이한, 도 27의 디스플레이된 가상 용접을 예시한다.
상세한 설명
결함 또는 불연속부를 나타내는 데이터는, 가상 용접물을 사전 정의하는 것 또는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 가상 현실 아크 용접(virtual reality arc welding; VRAW) 시스템)을 가상 용접 프로세스의 일부로서 사용하여 가상 용접물을 생성하는 것 중 어느 하나에 의해, 가상 용접물의 정의의 일부로서 포착될 수도 있다. VRAW 시스템은 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결된 공간 추적기, 공간 추적기에 의해 공간적으로 추적될 수 있는 적어도 하나의 모형 용접 툴, 및 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결된 적어도 하나의 디스플레이 디바이스를 포함한다. 시스템은, 가상 현실 공간에서, 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 갖는 용접 퍼들을 시뮬레이팅할 수 있다. 시스템은 또한, 시뮬레이팅된 용접 퍼들을 디스플레이 디바이스 상에 실시간으로 디스플레이할 수 있다. 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성은, 디스플레이되는 경우, 모형 용접 툴의 유저에게 실시간의 시각적 피드백을 제공하여, 유저가 실시간의 시각적 피드백에 응답하여 실시간으로 용접 기술을 조정하거나 유지하는 것을 허용하게 한다(즉, 유저가 정확하게 용접을 배우는 것을 돕는다). 디스플레이된 용접 퍼들은, 유저의 용접 기술 및 선택된 용접 프로세스와 파라미터에 기초하여, 실 세계에서 형성될 용접 퍼들을 나타낸다. 퍼들(예를 들면, 형상, 컬러, 슬래그, 사이즈, 적층된 다임(stacked dime))을 관찰하는(view) 것에 의해, 유저는 양호한 용접을 하도록 자신의 기술을 수정할 수 있고 행해진 용접의 타입을 결정할 수 있다. 퍼들의 형상은 건(gun) 또는 스틱의 움직임에 반응한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "실시간"은, 유저가 실 세계 용접 시나리오에서 감지하고 경험하게 될 것과 동일한 방식으로 시뮬레이팅된 환경의 시간에서 감지하고 경험하는 것을 의미한다. 또한, 용접 퍼들은 중력을 포함하는 물리적 환경의 영향에도 반응하여, 오버헤드 용접을 포함하는 다양한 위치 및 다양한 파이프 용접 각도(예를 들면, 1G, 2G, 5G, 6G)에서의 용접을 현실적으로 연습하는 것을 허용하게 된다. 이러한 실시간의 가상 용접 시나리오는, 가상 용접물을 나타내는 데이터의 생성으로 나타나게 된다.
도 1은 실시간의 가상 현실 환경에서 아크 용접 훈련을 제공하는 시스템(100)의 시스템 블록도의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 시스템(100)은 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(PPS)(110)을 포함한다. PPS(110)는 가상 용접물의 3D의 애니메이션화된 렌더링(3D animated rendering)을 제공하기 위한 렌더링 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 제공한다. PPS(110)는 가상 용접물의 테스팅 및 검사를 수행하기 위한 분석 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 또한 제공한다. 도 1의 시스템의 상황에서, 가상 용접물은, 시뮬레이팅된 용접 프로세스를 거쳐 용접 비드 또는 용접 조인트를 형성한 용접 쿠폰의 결과적으로 나타나는 시뮬레이션(resultant simulation)이다.
시스템(100)은 PPS(110)에 동작적으로 연결된 공간 추적기(ST)(120)를 더 포함한다. 시스템(100)은 또한, PPS(110)에 동작적으로 연결된 물리적인 용접용 유저 인터페이스(WUI)(130) 및 PPS(110)와 ST(120)에 동작적으로 연결된 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스(FMDD)(140)(도 9a 내지 도 9c 참조)를 포함한다. 그러나, 소정의 실시형태는 FMDD를 제공하지 않을 수도 있다. 시스템(100)은 PPS(110)에 동작적으로 연결된 관측자 디스플레이 디바이스(ODD)(150)를 더 포함한다. 시스템(100)은 또한, ST(120)와 PPS(110)에 동작적으로 연결된 적어도 하나의 모형 용접 툴(MWT)(160)을 포함한다. 시스템(100)은 테이블/스탠드(T/S)(170) 및 T/S(170)에 부착될 수 있는 적어도 하나의 용접 쿠폰(WC)(180)을 더 포함한다. 본 발명의 대안적 실시형태에 따르면, 실드 가스를 시뮬레이팅하며 조정가능한 유량 조절기를 구비하는 모형 가스 용기(mock gas bottle)(도시되지 않음)가 제공된다.
도 2는 도 1의 시스템(100)의 결합된 시뮬레이팅된 용접 콘솔(135)(용접 전력원 유저 인터페이스를 시뮬레이팅함) 및 관측자 디스플레이 디바이스(ODD)(150)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 물리적 WUI(130)는 콘솔(135)의 전면부에 존재하고 다양한 모드 및 기능의 유저 선택을 위한 노브, 버튼, 및 조이스틱을 제공한다. ODD(150)는, 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 콘솔(135)의 상부에 부착된다. MWT(160)는 콘솔(135)의 측면부에 부착된 홀더에 놓여 있다. 내부적으로, 콘솔(135)은 PPS(110) 및 ST(120)의 일부를 유지한다.
도 3은 도 2의 관측자 디스플레이 디바이스(ODD)(150)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, ODD(150)는 액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD) 디바이스이다. 다른 디스플레이 디바이스도 또한 가능하다. 예를 들면, ODD(150)는, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 터치스크린 디스플레이일 수도 있다. ODD(150)는 비디오(예를 들면, SVGA 포맷)를 수신하고 PPS(110)로부터의 정보를 디스플레이한다.
도 3에 도시된 바와 같이, ODD(150)는, 위치, 팁투워크(tip to work; 선단에서 워크까지의 거리), 용접 각도, 진행 각도(travel angle), 및 진행 속도를 포함하는 다양한 용접 파라미터(151)를 도시하는 제1 유저 장면을 디스플레이할 수 있다. 이들 파라미터는 그래픽 형태로 실시간으로 선택되어 디스플레이될 수도 있고 적절한 용접 기술을 교수하기(teach) 위해 사용된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, ODD(150)는, 예를 들면, 부적절한 용접 사이즈, 불량한 비드 배치, 오목형 비드, 과도하게 튀어나옴, 언더컷, 유공성(porosity), 불완전 융합, 슬래그 포함, 과도한 스패터, 과충전, 및 용락(burnthrough)(멜트 스루)을 포함하는 시뮬레이팅된 용접 불연속부 상태(152)를 디스플레이할 수 있다. 언더컷은 용접점 또는 용접 루트(weld root)에 인접한 베이스 금속 안으로 용융된 홈이다. 언더컷은 부정확한 용접의 각도에 종종 기인한다. 유공성은, 쿠폰으로부터 너무 멀리 떨어지게 아크를 이동시키는 것에 의해 종종 야기되는, 응고(solidification) 동안의 가스 포획에 의해 형성된 캐비티 타입의 불연속부이다. 이러한 시뮬레이팅된 용접 불연속부 상태는, 시뮬레이팅된 용접 쿠폰을 사용하여 가상 용접물을 형성하기 위한 시뮬레이팅된 용접 프로세스 동안 시스템(100)에 의해 생성된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, ODD(150)는, 메뉴, 조치, 시각적 신호(cue), 새로운 쿠폰, 및 패스 종료(end pass)를 포함하는 유저 선택부(153)를 디스플레이할 수 있다. 이들 유저 선택부는 콘솔(135) 상의 유저 버튼과 관련된다. 예를 들면, ODD(150)의 터치스크린을 통해 또는 물리적 WUI(130)를 통해 유저가 다양한 선택을 행함에 따라, 디스플레이되는 특성은 선택된 정보 및 다른 옵션을 유저에게 제공하도록 변경될 수 있다. 또한, ODD(150)는 FMDD(140)를 착용하고 있는 용접자에 의해 관찰되는 뷰를, 용접자의 동일한 각도의 뷰에서 또는 예를 들면 강사에 의해 선택된 다양한 상이한 각도에서 디스플레이할 수도 있다. 가상 용접물의 파괴/비파괴 테스팅 및 검사를 위한 것을 포함하는 다양한 훈련 목적을 위해 ODD(150)가 강사 및/또는 실습생에 의해 관찰될 수도 있다. 예를 들면, 뷰는 완성된 용접 둘레로 회전되어 강사에 의한 시각적 검사를 허용할 수도 있다. 본 발명의 대안적 실시형태에 따르면, 시스템(100)으로부터의 비디오는, 원격 관찰 및/또는 비평(critiquing)을 위해, 예를 들면, 인터넷을 통해 원격 장소로 전송될 수도 있다. 또한, 오디오가 제공되어, 실습생과 원격 강사 간의 실시간 오디오 통신을 허용할 수도 있다.
도 4는 물리적인 용접용 유저 인터페이스(WUI)(130)를 도시하는 도 2의 시뮬레이팅된 용접 콘솔(135)의 전면부의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. WUI(130)는 ODD(150) 상에 디스플레이되는 유저 선택부(153)에 대응하는 버튼 세트(131)를 포함한다. 버튼(131)은 ODD(150) 상에 디스플레이 되는 유저 선택부(153)의 컬러에 대응하도록 채색된다. 버튼(131) 중 하나가 눌리면, 대응하는 기능을 활성화시키기 위해 신호가 PPS(110)로 전송된다. WUI(130)는 또한, ODD(150) 상에 디스플레이되는 다양한 파라미터 및 선택사항을 선택하기 위해 유저에 의해 사용될 수 있는 조이스틱(132)을 포함한다. WUI(130)는 와이어 공급 속도/암페어를 조정하기 위한 다이얼 또는 노브(133), 및 전압/트림을 조정하기 위한 다른 다이얼 또는 노브(134)를 더 포함한다. WUI(130)는 또한 아크 용접 프로세스를 선택하기 위한 다이얼 또는 노브(136)를 포함한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 가스 실드 및 자체 실드 프로세스를 포함하는 플럭스 코어드 아크 용접(flux cored arc welding; FCAW); 단락 아크, 액시얼 스프레이(axial spray), STT, 및 펄스를 포함하는 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding; GMAW); 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding; GTAW); 및 E6010, E6013, 및 E7018 전극을 포함하는 피복 아크 용접(shielded metal arc welding; SMAW)을 포함하는 3개의 아크 용접 프로세스가 선택가능하다. WUI(130)는 용접 극성을 선택하기 위한 다이얼 또는 노브(137)를 더 포함한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 교류(alternating current; AC), 양의 직류(positive direct current; DC+), 및 음의 직류(negative direct current; DC-)를 포함하는 3개의 아크 용접 극성이 선택가능하다.
도 5는 도 1의 시스템(100)의 모형 용접 툴(MWT)(160)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 도 5의 MWT(160)는 판금 및 파이프 용접을 위한 스틱 용접 툴을 시뮬레이팅하고 홀더(161) 및 시뮬레이팅된 스틱 전극(162)을 포함한다. 선택된 시뮬레이팅된 용접 프로세스를 활성화하도록 PPS(110)로 신호를 전달하기 위해 MWD(160) 상의 트리거가 사용된다. 시뮬레이팅된 스틱 전극(162)은, 예를 들면, 실 세계의 파이프 용접에서의 루트 패스 용접(root pass welding) 절차 동안 또는 판금을 용접할 때 발생하는 저항성 피드백을 시뮬레이팅하기 위해 촉각적으로 저항성인 팁(tactilely resistive tip; 163)을 포함한다. 유저가 시뮬레이팅된 스틱 전극(162)을 루트에서 벗어나 너무 뒤로 이동시키면, 유저는 약한 저항성을 느끼거나 감지할 수 있을 것이고, 결과적으로 현재의 용접 프로세스를 조정하거나 유지함에 있어서 사용하기 위해 피드백을 유도하게 된다.
스틱 용접 툴은, 가상 용접 프로세스 동안 시뮬레이팅된 스틱 전극(162)을 회수하는(withdraw) 액츄에이터(도시되지 않음)를 통합할 수도 있다는 것이 고려된다. 즉, 유저가 가상 용접 작업을 하고 있을 때, 홀더(161)와 시뮬레이팅된 스틱 전극(162)의 팁 사이의 거리는 전극의 소비를 시뮬레이팅하도록 감소된다. 스틱 전극(162)의 소비율, 즉 회수는 PPS(110)에 의해 그리고 더 구체적으로는 PPS(110)에 의해 실행되는 코딩된 명령에 의해 제어될 수도 있다. 시뮬레이팅된 소비율은 유저의 기술에 또한 의존할 수도 있다. 여기서, 시스템(100)이 상이한 타입의 전극에 의한 가상 용접을 용이하게 하기 때문에, 스틱 전극(162)의 소비율 또는 감소는 시스템(100)의 셋업 및/또는 사용되는 용접 절차와 함께 변할 수도 있다는 것을 언급하는 것이 주목할 만하다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 예를 들면, 건을 통해 와이어 전극이 공급되는 핸드헬드형 반자동 용접 건을 시뮬레이팅하는 MWD를 포함하는 다른 모형 용접 툴도 또한 가능하다. 또한, 본 발명의 다른 소정의 실시형태에 따르면, 유저의 손에서의 툴의 실제 느낌을 더 잘 시뮬레이팅하기 위해, 실제 용접 툴이, 비록 그 툴이, 시스템(100)에서, 실제 아크를 실제로 생성하는 데 사용되지 않을 것이지만, MWT(160)로서 사용될 수 있다. 또한, 시뮬레이터(100)의 시뮬레이팅된 연마 모드에서 사용하기 위해, 시뮬레이팅된 연마 툴이 제공될 수도 있다. 마찬가지로, 예컨대 예를 들면, 순산소연소(Oxyfuel) 및 플라즈마 절단에서 사용되는 것과 같이, 시뮬레이터(100)의 시뮬레이팅된 절단 모드에서 사용하기 위해, 시뮬레이팅된 절단 툴이 제공될 수도 있다. 또한 시뮬레이터(100)에서의 사용을 위해, 시뮬레이팅된 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 토치 또는 필러 재료가 제공될 수도 있다.
도 6은 도 1의 시스템(100)의 테이블/스탠드(T/S)(170)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. T/S(170)는 조정가능한 테이블(171), 스탠드 또는 베이스(172), 조정가능한 암(173), 및 수직 포스트(vertical post; 174)를 포함한다. 테이블(171), 스탠드(172), 및 암(173) 각각은 수직 포스트(174)에 부착된다. 테이블(171) 및 암(173) 각각은 수직 포스트(174)에 대해 위쪽으로, 아래쪽으로, 그리고 회전적으로 수동으로 조정될 수 있다. 암(173)은 다양한 용접 쿠폰(예를 들면, 용접 쿠폰(175))을 유지하기 위해 사용되고 유저는 훈련시 그/그녀의 팔을 테이블(171) 상에 얹을 수도 있다. 수직 포스트(174)는, 암(173)과 테이블(171)이 포스트(171) 상에서 수직으로 정확히 어디에 위치되어 있는지를 알 수도 있도록 하는 위치 정보로 인덱싱된다. 이 수직 위치 정보는 유저가 WUI(130) 및 ODD(150)를 사용하는 것에 의해 시스템에 입력될 수도 있다.
본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 테이블(171)과 암(173)의 위치는 프로그래밍된 설정을 통해, 또는 유저에 의해 명령이 내려질 때 WUI(130) 및/또는 ODD(150)를 통해, PSS(110)에 의해 자동적으로 설정될 수도 있다. 이러한 대안적인 실시형태에서, T/S(170)는, 예를 들면, 모터 및/또는 서보 메커니즘을 포함하고, PPS(110)로부터의 신호 커맨드는 모터 및/또는 서보 메커니즘을 활성화한다. 본 발명의 추가의 대안적인 실시형태에 따르면, 테이블(171) 및 암(173)의 위치 및 쿠폰의 타입은 시스템(100)에 의해 검출된다. 이렇게 하여, 유저는 유저 인터페이스를 통해 위치 정보를 수동으로 입력할 필요가 없게 된다. 이러한 대안적인 실시형태에서, T/S(170)는 위치 및 방향 검출기를 포함하고 위치 및 방향 정보를 제공하기 위해 신호 커맨드를 PPS(110)로 전송하고, WC(175)는 위치 검출 센서(예를 들면, 자기장을 검출하기 위한 코일이 감겨진 센서(coiled sensor))를 포함한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 유저는 조정 파라미터가 변경될 때 ODD(150) 상에서 T/S(170) 조정의 렌더링을 볼 수 있다.
도 7a는 도 1의 시스템(100)의 파이프 용접 쿠폰(WC)(175)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. WC(175)는 용접될 루트(176)를 형성하도록 함께 배치된 2개의 6인치 직경의 파이프(175' 및 175")를 시뮬레이팅한다. WC(175)는 WC(175)의 일단(one end)에 연결부(177)를 포함하여, WC(175)가 정확하고 반복가능한 방식으로 암(173)에 부착되는 것을 허용한다. 도 7b는 도 6의 테이블/스탠드(T/S)(170)의 암(173)에 장착된 도 7a의 파이프 WC(175)를 예시한다. WC(175)가 암(173)에 부착될 수 있는 정확하고 반복가능한 방식은, WC(175)의 공간적 캘리브레이션이 공장에서 단 한번만 수행되는 것을 허용한다. 그 다음, 필드에서, 시스템(100)이 암(173)의 위치를 알게 되는 한, 시스템(100)은 가상 환경에서 WC(175)를 기준으로 MWT(160) 및 FMDD(140)를 추적할 수 있다. WC(175)가 부착되는 암(173)의 제1 위치는, 도 6에 도시된 바와 같이, 암(173)의 제2 위치를 기준으로 기울어질 수 있다. 이것은 여러 상이한 방향과 각도 중 임의의 방향과 각도에 있는 파이프를 가지고 유저가 파이프 용접을 연습하는 것을 허용한다.
도 8은 도 1의 공간 추적기(ST)(120)의 예시적인 실시형태의 다양한 엘리먼트를 예시한다. ST(120)는 시스템(100)의 PPS(110)와 동작적으로 인터페이싱할 수 있는 자기식 추적기(magnetic tracker)이다. ST(120)는 자기 소스(magnetic source; 121) 및 소스 케이블, 적어도 하나의 센서(122)와 관련 케이블, 디스크(123) 상의 호스트 소프트웨어, 전력원(124)과 관련 케이블, USB와 RS-232 케이블(125), 및 프로세서 추적 유닛(126)을 포함한다. 자기 소스(121)는 케이블을 통해 프로세서 추적 유닛(126)에 동작적으로 연결될 수 있다. 센서(122)는 케이블을 통해 프로세서 추적 유닛(126)에 동작적으로 연결될 수 있다. 전력원(124)은 케이블을 통해 프로세서 추적 유닛(126)에 동작적으로 연결될 수 있다. 프로세서 추적 유닛(126)은 USB 또는 RS-232 케이블(125)을 통해 PPS(110)에 동작적으로 연결될 수 있다. 디스크(123) 상의 호스트 소프트웨어는 PPS(110) 상으로 로딩될 수 있고, ST(120)와 PPS(110) 사이의 기능적 통신을 허용한다.
도 6 및 도 8을 참조하면, ST(120)의 자기 소스(121)는 암(173)의 제1 위치에 장착된다. 자기 소스(121)는, 암(173)에 부착된 WC(175)를 둘러싸는 공간을 포함해서, 소스(121) 주위에 자기장을 생성하는데, 이것은 3D 공간의 기준 프레임을 확립한다. T/S(170)는 자기 소스(121)에 의해 생성된 자기장을 왜곡하지 않도록 주로 비금속(비철 및 비도전성)이다. 센서(122)는 3개의 공간 방향을 따라 직교적으로 정렬된 3개의 유도 코일을 포함한다. 센서(122)의 유도 코일 각각은 세 방향의 각각에서의 자기장의 강도를 측정하고 그 정보를 프로세서 추적 유닛(126)에게 제공한다. 결과적으로, 시스템(100)은, WC(175)가 암(173) 상에 장착될 때 자기장에 의해 확립된 3차원 공간 기준 프레임을 기준으로 WC(175)의 임의의 부분이 어디에 있는지를 알 수 있게 된다. 센서(122)는 MWT(160)에 또는 FMDD(140)에 부착되어, MWT(160) 또는 FMDD(140)가 공간 및 방향 둘 다에서 3D 공간의 기준 프레임을 기준으로 ST(120)에 의해 추적되는 것을 허용할 수도 있다. 2개의 센서(122)가 제공되고 프로세서 추적 유닛(126)에 동작적으로 연결되면, MWT(160) 및 FMDD(140) 둘 다는 추적될 수도 있다. 이와 같이, 시스템(100)은 가상 현실 공간에서 가상 WC, 가상 MWT, 및 가상 T/S를 생성할 수 있고 또한 MWT(160) 및 FMDD(140)가 3D 공간의 기준 프레임을 기준으로 추적되기 때문에, 가상 WC, 가상 MWT, 및 가상 T/S를 FMDD(140) 및/또는 ODD(150) 상에 디스플레이할 수 있다.
본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 센서(들)(122)는 프로세서 추적 유닛(126)에 무선으로 인터페이싱할 수도 있고, 프로세서 추적 유닛(126)은 PPS(110)에 무선으로 인터페이싱할 수도 있다. 본 발명의 다른 대안적인 실시형태에 따르면, 예를 들면, 가속도계/자이로스코프-기반 추적기, 광학식 추적기(액티브 또는 패시브), 적외선 추적기, 음향 추적기, 레이저 추적기, 무선 주파수 추적기, 관성 추적기, 및 증강현실 기반 추적 시스템을 포함하는 다른 타입의 공간 추적기(120)가 시스템(100)에서 사용될 수도 있다. 다른 타입의 추적기도 또한 가능할 수도 있다.
도 9a는 도 1의 시스템(100)의 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스(140)(FMDD)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 도 9b는 도 9a의 FMDD(140)가 유저의 머리 상에 어떻게 고정되는지의 예시이다. 도 9c는 용접용 헬멧(900) 내에 통합된 장착된 도 9a의 FMDD(140)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. FMDD(140)는 유선 수단 또는 무선 중 어느 하나를 통해 PPS(110) 및 ST(120)에 동작적으로 연결될 수도 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, ST(120)의 센서(122)는 FMDD(140)에 또는 용접용 헬멧(900)에 부착되어, FMDD(140) 및/또는 용접용 헬멧(900)이 ST(120)에 의해 생성된 3D 공간의 기준 프레임을 기준으로 추적되는 것을 허용할 수도 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, FMDD(140)는 유체 풀 모션(fluid full-motion) 비디오를 2D의 그리고 프레임 순차식 비디오 모드에서 전달할 수 있는 2개의 높은 콘트라스트의 SVGA 3D OLED를 포함한다. 가상 현실 환경의 비디오는 제공되어 FMDD(140) 상에서 디스플레이된다. 유저가, 예를 들면, 치터 렌즈(cheater lens)를 시뮬레이팅하는 것을 허용하는 줌(예를 들면, 2배) 모드가 제공될 수도 있다.
FMDD(140)는, 시스템(100)에 의해 생성된 시뮬레이팅된 용접 관련 및 환경적 사운드를 유저가 듣는 것을 허용하는 2개의 이어버드 스피커(910)를 더 포함한다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, FMDD(140)는 유선 또는 무선 수단을 통해 PPS(110)에 동작적으로 인터페이싱할 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, PPS(110)는 FMDD(140)로 입체 비디오를 제공하여, 향상된 깊이 감을 유저에게 제공하게 된다. 본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 유저는, 메뉴를 호출하고 선택하여 FMDD(140) 상에 옵션을 디스플레이하기 위해, MWT(160) 상의 제어(예를 들면, 버튼 또는 스위치)를 사용할 수 있다. 이것은 유저가, 예를 들면, 만약 유저가 실수를 범한 경우 용접을 쉽게 리셋하거나, 소정의 파라미터를 변경하거나, 또는 용접 비드 이력 중 일부를 재사용하도록 약간의 백업을 행하는 것을 허용할 수도 있다.
도 10은 도 1의 시스템(100)의 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(PPS)(110)의 서브시스템 블록도의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, PPS(110)는 중앙 처리 유닛(CPU)(111) 및 2개의 그래픽 처리 유닛(GPU)(115)을 포함한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 2개의 GPU(115)는 실시간 용융 금속 유동성 및 열 흡수 특성 및 열 소산 특성을 갖는 용접 퍼들(용접 풀(pool)로서 또한 알려짐)의 가상 현실 시뮬레이션을 제공하도록 프로그래밍된다.
도 11은 도 10의 PPS(110)의 그래픽 처리 유닛(GPU)(115)의 블록도의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 각각의 GPU(115)는 데이터 병렬 알고리즘의 구현을 지원한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 각각의 GPU(115)는 2개의 가상 현실 뷰를 제공할 수 있는 2개의 비디오 출력(118 및 119)을 제공한다. 비디오 출력 중 2개는 FMDD(140)로 라우팅되어, 용접자의 관점(point of view)을 렌더링할 수도 있고, 제3 비디오 출력이 ODD(150)로 라우팅되어, 예를 들면, 용접자의 관점 또는 다른 사람의 관점 중 어느 하나를 렌더링할 수도 있다. 나머지 제4 비디오 출력은 예를 들면 프로젝터로 라우팅될 수도 있다. 양자의 GPU(115)는 동일한 용접 물리 계산(welding physics computation)을 수행하지만 동일한 또는 상이한 관점으로부터의 가상 현실 환경을 렌더링할 수도 있다. GPU(115)는 CUDA(compute unified device architecture; 계산 통합형 디바이스 아키텍처)(116) 및 셰이더(117)를 포함한다. CUDA(116)는, 산업 표준 프로그래밍 언어를 통해 소프트웨어 개발자가 액세스할 수 있는 GPU(115)의 계산 엔진이다. CUDA(116)는 병렬 코어를 포함하고 본원에서 설명되는 용접 퍼들 시뮬레이션의 물리적 모델을 실행하는 데 사용된다. CPU(111)는 GPU(115) 상의 CUDA(116)에 실시간 용접 입력 데이터를 제공한다. 셰이더(117)는 시뮬레이션의 모든 시각적 요소(visual)를 묘사하고 적용하는 것을 담당한다. 비드 및 퍼들의 시각적 요소는, 본원에서 나중에 설명되는 웩셀 배치 맵의 상태에 의해 구동된다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 물리적 모델은 초당 약 30회의 레이트로 실행되어 업데이트된다. 가상의 파괴/비파과적 테스팅 및 검사 시뮬레이션 동안, GPU(115)는 렌더링 엔진으로서 역할을 하여 시뮬레이팅된 용접 프로세스 동안 생성된 가상 용접물의 3D의 애니메이션화된 렌더링을 제공한다. 또한, CPU(111)는 분석 엔진으로서의 역할을 하여, 가상 용접물에서 존재할 수도 있는 다양한 결함 및 불연속부에 대한 가상 용접물의 테스팅 분석을 제공한다.
도 12는 도 1의 시스템(100)의 기능적 블록도의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 도 12에 도시된 바와 같은 시스템(100)의 다양한 기능적 블록은, 주로, PPS(110) 상에서 실행하는 소프트웨어 명령 및 모듈을 통해 구현된다. 시스템(100)의 다양한 기능적 블록은, 물리적 인터페이스(1201), 토치 및 클램프 모들(1202), 환경 모델(1203), 사운드 컨텐츠 기능성(1204), 용접 사운드(1205), 스탠드/테이블 모델(1206), 내부 아키텍처 기능성(1207), 캘리브레이션 기능성(1208), 쿠폰 모델(1210), 용접 물리(1211), 내부 물리 조정 툴(internal physics adjustment tool)(트위커(tweaker))(1212), 그래픽 유저 인터페이스 기능성(1213), 그래프화 기능성(graphing functionality; 1214), 실습생 리포트 기능성(1215), 렌더러(renderer; 1216), 비드 렌더링(1217), 3D 텍스쳐(1218), 시각적 신호 기능성(visual cues functionality; 1219), 채점 및 허용 오차 기능성(tolerance functionality; 1220), 허용 오차 편집기(1221), 및 특수 효과(1222)를 포함한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 렌더러(1216), 비드 렌더링(1217), 3D 텍스쳐(1218), 및 채점 및 허용 오차 기능성(1220)은 가상의 파괴/비파과적 테스팅 및 검사 동안뿐만 아니라 시뮬레이팅된 용접 프로세스 동안 활용된다.
내부 아키텍처 기능성(1207)은, 예를 들면, 파일 로딩, 정보 유지, 스레드 관리, 물리 모델 턴온, 및 메뉴 트리거를 포함하는 시스템(100)의 프로세스의 더 높은 레벨의 소프트웨어 흐름 관리(higher level software logistics)를 제공한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 내부 아키텍처 기능성(1207)은 CPU(111) 상에서 실행한다. PPS(110)로의 소정의 실시간 입력은 아크 위치, 건 위치, FMDD 또는 헬멧 위치, 건 온/오프 상태, 및 접촉이 이루어진 상태(contact made state)(예/아니오)를 포함한다.
그래픽 유저 인터페이스 기능성(1213)은 유저가, 물리적 유저 인터페이스(130)의 조이스틱(132)을 사용하여 ODD(150)를 통해, 용접 시나리오, 테스팅 시나리오, 또는 검사 시나리오를 셋업하는 것을 허용한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 용접 시나리오의 셋업은, 언어를 선택하는 것, 유저명을 입력하는 것, 연습 판금(plate)(즉, 용접 쿠폰)을 선택하는 것, 용접 프로세스(예를 들면, FCAW, GMAW, SMAW) 및 관련된 액시얼 스프레이, 펄스, 또는 단락 아크 방법을 선택하는 것, 가스 타입 및 유량을 선택하는 것, 스틱 전극(예를 들면, 6010 또는 7018)의 타입을 선택하는 것, 및 플럭스 코어드 와이어의 타입(예를 들면, 자체 실드형, 가스 실드형)을 선택하는 것을 포함한다. 용접 시나리오의 셋업은 T/S(170)의 테이블 높이, 암 높이, 암 위치, 및 암 회전을 선택하는 것을 또한 포함한다. 용접 시나리오의 셋업은 환경(예를 들면, 가상 현실 공간에서의 배경 환경)을 선택하는 것, 와이어 공급 속도를 설정하는 것, 전압 레벨을 설정하는 것, 전류량(amperage)을 설정하는 것, 극성을 선택하는 것, 및 특정한 시각적 신호를 온시키거나 오프시키는 것을 더 포함한다. 마찬가지로, 가상 테스팅 또는 검사 시나리오의 셋업은, 언어를 선택하는 것, 유저명을 입력하는 것, 가상 용접물을 선택하는 것, 파괴 또는 비파괴 테스트를 선택하는 것, 상호작용식 툴(interactive tool)을 선택하는 것, 및 애니메이션화된 원근시점(animated perspective view)을 선택하는 것을 포함할 수도 있다.
시뮬레이팅된 용접 시나리오 동안, 그래프화 기능성(1214)은 유저 성과 파라미터(user performance parameter)를 수집하고 유저 성과 파라미터를 (예를 들면, ODD(150) 상에서의) 그래픽 포맷의 디스플레이를 위해 그래픽 유저 인터페이스 기능성(1213)으로 제공한다. ST(120)로부터의 추적 정보는 그래프화 기능성(1214)으로 공급된다. 그래프화 기능성(1214)은 단순 분석 모듈(simple analysis module; SAM) 및 휩/위브 분석 모듈(whip/weave analysis module; WWAM)을 포함한다. SAM은, 용접 진행 각도, 진행 속도, 용접 각도, 위치, 및 팁투워크 거리를 포함하는 용접 파라미터를, 그 용접 파라미터를 비드 테이블에 저장된 데이터와 비교하는 것에 의해 분석한다. WWAM은 다임 간격(dime spacing), 휩 타임, 및 퍼들 시간을 포함하는 유저 휘핑 파라미터를 분석한다. WWAM은 위브의 폭, 위브 간격, 및 위브 타이밍을 포함하는 유저 위빙 파라미터를 또한 분석한다. SAM 및 WWAM은 원시 입력 데이터(예를 들면, 위치 및 방향 데이터)를, 그래프화에 기능적으로 이용가능한 데이터로 변환한다. SAM 및 WWAM에 의해 분석된 각각의 파라미터에 대해, 허용 오차 편집기(1221)를 사용하여 비드 테이블에 입력된 최적의 또는 이상적인 설정 포인트 근처에서 파라미터 한계에 의해 허용 오차 윈도우가 정의되고, 채점 및 허용 오차 기능성(1220)이 수행된다.
허용 오차 편집기(1221)는 재료 사용량, 전기 사용량, 및 용접 시간을 근사시키는 용접미터(weldometer)를 포함한다. 또한, 소정의 파라미터가 허용 오차를 벗어나면, 용접 불연속부(즉, 용접 결함)가 발생할 수도 있다. 임의의 용접 불연속부의 상태는 그래프화 기능성(1214)에 의해 처리되고 그래픽 유저 인터페이스 기능성(1213)을 통해 그래픽 포맷으로 제공된다. 이러한 용접 불연속부는 부적절한 용접 사이즈, 불량한 비드 배치, 오목형 비드, 과도하게 튀어나옴, 언더컷, 유공성, 불완전 융합, 슬래그 포획, 오버필, 용락, 과도한 스패터를 포함한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 불연속부의 레벨 또는 양은, 특정 유저 파라미터가 최적의 또는 이상적인 설정 포인트로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 의존한다. 시뮬레이팅된 용접 프로세스의 일부로서 생성되는 이러한 용접 불연속부는, 가상 용접물과 관련되는 가상의 파괴/비파괴 및 검사 프로세스에 대한 입력으로서 사용된다.
예를 들면, 용접 초보자, 용접 전문가, 및 전시회의 사람들과 같은 상이한 타입의 유저에 대해 상이한 파라미터 한계가 사전 정의될 수도 있다. 채점 및 허용 오차 기능성(1220)은 유저가 특정 파라미터에 대해 최적치(이상치)에 얼마나 근접했는지에 의존하여 그리고 용접에서의 불연속부 또는 결함의 레벨에 의존하여 수치적 점수를 제공한다. 최적값은 실 세계 데이터로부터 유도된다. 채점 및 허용오차 기능성(1220)으로부터의 그리고 그래픽 기능성(1214)으로부터의 정보는 실습생 리포트 기능성(1215)에 의해 사용되어 강사 및/또는 실습생에 대한 성과 리포트를 생성할 수도 있다.
시스템(100)은 가상 용접 작업의 결과를 분석하여 디스플레이할 수 있다. 결과를 분석하는 것은, 용접 패스(welding pass) 동안의 언제 그리고 용접 조인트를 따르는 어디에서 유저가 용접 프로세스의 허용가능한 한계를 벗어났는지를 결정할 수 있다는 것을 의미한다. 점수는 유저의 성과에 기인할 수도 있다. 일 실시형태에서, 점수는 허용 오차의 범위에 걸친 모형 용접 툴(160)의 위치, 방향 및 속도에서의 편차의 함수일 수도 있는데, 허용 오차의 범위는 이상적인 용접 패스로부터 한계적 또는 수용불가능한 용접 동작까지 달할 수도 있다. 유저의 성과를 채점하기 위해 선택되는 것과 같은 임의의 기울기의 범위가 시스템(100)에 통합될 수도 있다. 채점은 수치적으로 또는 영숫자로(alpha-numerically) 디스플레이될 수도 있다. 추가적으로, 유저의 성과는, 시간적으로 및/또는 용접 조인트를 따른 위치에서, 모형 용접 툴이 용접 조인트를 얼마나 가까이 가로질렀는지를 그래픽적으로 나타내면서 디스플레이될 수도 있다. 진행 각도, 작업 각도, 속도, 및 용접 조인트로부터의 거리와 같은 파라미터는 측정될 수도 있는 것의 예이지만, 채점 목적을 위해 임의의 파라미터가 분석될 수도 있다. 파라미터의 허용 오차 범위는 실 세계 용접 데이터로부터 취해지고, 따라서 유저가 실 세계에서 어떻게 수행할 것인지에 관해 정확한 피드백을 제공하게 된다. 다른 실시형태에서는, 또한, 유저의 성과에 대응하는 결함의 분석이 통합되어 ODD(150) 상에 디스플레이될 수도 있다. 이 실시형태에서, 가상 용접 작업 동안 모니터링되는 다양한 파라미터를 측정하는 것으로부터 어떤 타입의 불연속부가 유래되었는지를 나타내는 그래프가 묘사될 수도 있다. 흡장(occlusion)이 ODD(150) 상에서 보이지 않을 수도 있지만, 결함은 유저의 성과의 결과로서 여전히 발생될 수 있는데, 그 결과는 대응하여 디스플레이될 수도 있고, 즉 그래프화될 수도 있고, 또한 (예를 들면, 굽힘 테스트를 통해) 테스트되어 검사될 수도 있다.
시각적 신호 기능성(1219)은 FMDD(140) 및/또는 ODD(150) 상에 오버레이된 컬러 또는 표시자(indicator)를 디스플레이하는 것에 의해 유저에게 즉각적인 피드백을 제공한다. 위치, 팁투워크 거리, 용접 각도, 진행 각도, 진행 속도, 및 아크 길이(예를 들면, 스틱 용접의 경우)를 포함하는 시각적 신호는 용접 파라미터(151)의 각각에 대해 제공되고, 미리 정의된 한계 또는 허용 오차에 기초하여 유저의 용접 기술의 몇몇 양태가 조정되어야 하는지를 유저에게 시각적으로 나타낸다. 시각적 신호는, 예를 들면, 휩/위브 기술 및 용접 비드 "다임" 간격에 대해 또한 제공될 수도 있다. 시각적 신호는 독립적으로 또는 임의의 소망의 조합으로 설정될 수도 있다.
캘리브레이션 기능성(1208)은 실 세계 공간(3D 기준 프레임)에서의 물리적 성분을 가상 현실 공간에서의 시각적 성분과 매치시키는 성능을 제공한다. 각각의 상이한 타입의 용접 쿠폰(WC)은, WC를 T/S(170)의 암(173)에 장착하고 그리고 ST(120)에 동작적으로 연결된 캘리브레이션 스타일러스를 이용하여 미리 정의된 포인트(예를 들면, WC 상의 3개의 딤플로 나타내어짐)에서 WC를 터치하는 것에 의해 공장에서 캘리브레이팅된다. ST(120)는 미리 정의된 포인트에서 자기장 강도를 판독하고, 위치 정보를 PPS(110)에게 제공하고, PPS(110)는 위치 정보를 사용하여 캘리브레이션(즉, 실 세계 공간에서 가상 현실 공간으로의 변환)을 수행한다.
아주 엄격한 허용 오차 내에서 동일한 반복가능한 방식으로 임의의 특정한 타입의 WC가 T/S(170)의 암(173)에 끼워진다. 따라서, 특정한 WC 타입이 캘리브레이팅되면, 그 WC 타입은 다시 캘리브레이팅될 필요가 없다(즉, 특정한 타입의 WC의 캘리브레이션은 1회성 이벤트이다). 동일한 타입의 WC는 상호 교환가능하다. 캘리브레이션은, 용접 프로세스 동안 유저에 의해 감지되는 물리적 피드백이, 가상 현실 공간에서 유저에게 디스플레이되는 것과 매치하는 것을 보장하여, 시뮬레이션이 더 실제처럼 보이게 만든다. 예를 들면, 유저가 실제 WC(180)의 코너 근처에서 MWT(160)의 팁을 슬라이드하면, 유저는 유저가 실제 코너 근처에서 슬라이딩하는 팁을 느끼면서 가상 WC의 코너 근처에서 슬라이딩하는 팁을 FMDD(140) 상에서 보게 될 것이다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, MWT(160)는 미리위치결정된 지그에 배치되고 기지의 지그 위치에 기초하여 마찬가지로 캘리브레이팅된다.
본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 예를 들면, 쿠폰의 코너 상에 센서를 구비하는 "스마트" 쿠폰이 제공된다. ST(120)는, "스마트" 쿠폰이 실 세계의 3D 공간에서 어디에 있는지를 시스템(100)이 연속적으로 알도록, "스마트" 쿠폰의 코너를 추적할 수 있다. 본 발명의 추가의 대안적인 실시형태에 따르면, 용접 쿠폰을 "언락"하기 위해 라이센싱 키가 제공된다. 특정 WC가 구매되면, 라이센싱 키가 제공되고, 유저가 시스템(100)에 라이센싱 키를 입력함으로써, 그 WC와 관련된 소프트웨어를 언락하게 된다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 부품의 실 세계 CAD 드로잉에 기초하여 특수한 비표준 용접 쿠폰이 제공될 수도 있다. 유저는 부품이 실 세계에서 실제로 생산되기 이전이라도 CAD 부품을 용접하는 훈련을 할 수도 있다.
사운드 컨텐츠 기능성(1204) 및 용접 사운드(1205)는 소정의 용접 파라미터가 허용 오차 내에 있는지 또는 허용 오차를 벗어나는지에 의존하여 변화하는 특정한 타입의 용접 사운드를 제공한다. 사운드는 다양한 용접 프로세스 및 파라미터에 맞춤된다. 예를들면, MIG 스프레이 아크 용접 프로세스에 있어서, 사용자가 MWT(160)를 정확하게 위치시키지 않으면 타닥타닥하는 사운드(cracking sound)가 제공되고, MWT(160)가 정확히 위치되면 치찰음(hissing sound)이 제공된다. 단락 아크 용접 프로세스에 있어서, 적절한 용접 기술에 대해서는 일정한 타닥타닥하는 또는 튀김 사운드(frying sound)가 제공되고, 언더커팅이 발생하면 치찰음이 제공될 수도 있다. 이들 사운드는 정확한 및 부정확한 용접 기술에 대응하는 실 세계 사운드를 흉내낸다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, 고충실 사운드 컨텐츠는 다양한 전자적 및 기계적 수단을 이용하여 실제 용접의 실 세계 레코딩으로부터 취해질 수 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 사운드의 인지되는 볼륨 및 방향성은 MWT(160)와 WC(180) 사이의 시뮬레이팅된 아크를 기준으로, 유저 머리의 위치, 방향 및 거리에 따라 수정된다(유저는 ST(120)에 의해 추적되는 FMDD(140)를 착용하고 있다고 가정한다). 사운드는 예를 들면 FMDD(140)의 이어버드 스피커(910)를 통하여, 또는 콘솔(135) 또는 T/S(170)에 구성된 스피커를 통하여 유저에게 제공될 수도 있다.
환경 모델(1203)은 가상 현실 공간에서 다양한 배경 장면(정지된 것 및 움직이는 것)을 제공하기 위해 제공된다. 이러한 배경 환경은, 예를 들면, 옥내의 용접 가게, 옥외의 레이스 트랙, 차고(garage) 등등을 포함할 수도 있고, 움직이는 자동차, 사람, 새, 구름 및 다양한 환경적 사운드를 포함할 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 배경 환경은 상호작용적일 수도 있다. 예를 들면, 유저는 환경이 용접하기에 적당한지(예를 들면, 안전한지)를 보장하기 위해, 용접을 시작하기 전에, 배경 지역을 조사할 필요가 있을 수 있다. 예를 들면, 가상 현실 공간에서 건, 스틱 전극을 구비한 홀더 등등을 포함하는 다양한 MWT(160)를 모델링하는 토치 및 클램프 모델(1202)이 제공된다.
예를 들면, 가상 현실 공간에서 평판 쿠폰, T-조인트 쿠폰, 맞댐 조인트(butt-joint) 쿠폰, 홈 용접 쿠폰 및 파이프 쿠폰(예를 들면 2인치 직경의 파이프 및 6인치 직경의 파이프)을 포함하는 다양한 WC(180)를 모델링하는 쿠폰 모델(1210)이 제공된다. 조정가능한 테이블(171), 스탠드(172), 조정가능한 암(173) 및 수직 포스트(174)를 포함하는 T/S(170)의 다양한 부분을 가상 현실 공간에서 모델링하는 스탠드/테이블 모델(1206)이 제공된다. 용접용 유저 인터페이스(130), 콘솔(135) 및 ODD(150)의 다양한 부분을 가상 현실 공간에서 모델링하는 물리적 인터페이스 모델(1201)이 제공된다. 다시, 용접 비드, 용접 조인트, 판금 상의 파이프(pipe-on-plate) 용접, 플러그 용접 또는 랩(lap) 용접을 형성하기 위해 시뮬레이팅된 용접 프로세스를 거친 용접 쿠폰의 결과적으로 나타나는 시뮬레이션은, 본원에서는 시스템(100)에 대한 가상 용접물로서 알려져 있다. 용접 쿠폰은 이들 시나리오의 각각을 지원하도록 제공될 수도 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 가상 현실 공간에서의 용접 퍼들 또는 풀의 시뮬레이션은, 시뮬레이팅된 용접 퍼들이 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 갖는 경우에 달성된다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 용접 퍼들 시뮬레이션의 중심에는, GPU(115) 상에서 실행하는 용접 물리 기능성(1211)(물리 모델로서 또한 알려짐)이 있다. 용접 물리 기능성은 동적 유동성/점성, 응고성, 열경사(열 흡수 및 소산), 퍼들 웨이크(puddle wake) 및 비드 형상을 정확히 모델링하기 위해 이중 변위층(double displacement layer) 기술을 활용하고, 도 14a 내지 도 14b와 관련하여 본원에서 상세히 설명된다.
용접 물리 기능성(1211)은 가열 용융된 상태로부터 냉각 응고된 상태까지의 모든 상태에서 용접 비드를 렌더링하기 위해 비드 렌더링 기능성(1217)과 통신한다. 비드 렌더링 기능성(1217)은 용접 물리 기능성(1211)으로부터의 정보 (예를 들면, 열, 유동성, 변위, 다임 간격)를 이용하여 가상 현실 공간에서 실시간으로 용접 비드를 정확하게 그리고 사실적으로 렌더링한다. 3D 텍스쳐 기능성(1218)은 추가적인 텍스쳐(예를 들면, 스코칭(scorching), 슬래그, 그레인)를 시뮬레이팅된 용접 비드에 오버레이하기 위해 비드 렌더링 기능성(1217)에 텍스쳐 맵을 제공한다. 예를 들면, 슬래그는 용접 프로세스 동안에 그리고 직후에 용접 비드 위에 렌더링되는 것으로 나타날 수도 있고, 그 다음에 기저의 용접 비드를 드러내도록 제거될 수도 있다. 렌더러 기능성(1216)은 스파크, 스패터, 연기(smoke), 아크 글로우, 퓸(fumes)과 가스 및, 예를 들면, 언더컷 및 유공성과 같은 소정의 불연속부를 포함하는 특수 효과 모듈 (1222)로부터의 정보를 이용하여 다양한 비퍼들(non-puddle) 고유의 특성을 렌더링하기 위해 사용된다.
내부 물리 조정 툴(1212)은 다양한 용접 물리 파라미터가 다양한 용접 프로세스에 대해 정의되고, 업데이트되고, 그리고 수정되는 것을 허용하는 트위킹 툴(tweaking tool)이다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 내부 물리 조정 툴(1212)은 CPU(111) 상에서 실행하고, 조정된 또는 업데이트된 파라미터는 GPU(115)로 다운로드된다. 내부 물리 조정 툴(1212)을 통해 조정될 수도 있는 파라미터의 타입은, 용접 쿠폰에 관련된 파라미터, 용접 쿠폰을 리셋할 필요 없이 프로세스가 변경되는 것을 허용하는(제2 패스를 행하는 것을 허용하는) 파라미터, 전체 시뮬레이션을 리셋하지 않고도 변경될 수 있는 다양한 전역적 파라미터(global parameter), 및 다른 다양한 파라미터를 포함한다.
도 13은 도 1의 가상 현실 훈련 시스템(100)을 사용하여 훈련하는 방법(1300)의 한 실시형태의 플로우차트이다. 방법은 다음과 같이 진행한다: 단계 1310에서, 용접 기술에 따라 용접 쿠폰에 대해 모형 용접 툴을 이동시키고; 단계 1320에서, 가상 현실 시스템을 사용하여 3차원 공간에서 모형 용접 툴의 위치 및 방향을 추적하고; 단계 1330에서, 시뮬레이팅된 모형 용접 툴로부터 나오는 시뮬레이팅된 아크 근처에 시뮬레이팅된 용접 퍼들을 형성하는 것에 의해, 시뮬레이팅된 모형 용접 툴이 시뮬레이팅된 용접 쿠폰의 적어도 하나의 시뮬레이팅된 표면 상으로 시뮬레이팅된 용접 비드 재료를 퇴적할 때, 가상 현실 공간에서 용접 쿠폰 및 모형 용접 툴의 실시간 가상 현실 시뮬레이션을 나타내는 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이를 관찰하고; 단계 1340에서, 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 디스플레이 상에서 관찰하고; 단계 1350에서, 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 관찰하는 것에 응답하여 용접 기술의 적어도 하나의 양태를 실시간으로 수정한다.
방법(1300)은 유저가 어떻게 가상 현실 공간에서 용접 퍼들을 관찰할 수 있고, 또한, 실시간 용융 금속 유동성(예를 들면, 점성) 및 열 소산을 포함하는 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 다양한 특성을 관찰하는 것에 응답하여 자신의 용접 기술을 수정할 수 있는지를 예시한다. 또한, 유저는 실시간 퍼들 웨이크 및 다임 간격을 포함하는 다른 특성을 관찰하고 응답할 수도 있다. 용접 퍼들의 특성을 관찰하고 응답하는 것은, 대부분의 용접 동작이 실 세계에서 실제로 수행되는 방식이다. GPU(115) 상에서 실행되는 용접 물리 기능성(1211)의 이중 변위층 모델링은, 이러한 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성이 정확하게 모델링되어 유저에게 제공되는 것을 허용한다. 예를 들면, 열 소산은 응고 시간을 결정한다(즉, 웩셀이 완전히 응고하는 데 얼마나 많은 시간이 걸리는지를 결정한다).
또한, 유저는 동일한 또는 상이한(예를 들면, 제2) 모형 용접 툴 및/또는 용접 프로세스를 사용하여 가상 용접물의 용접 비드 재료에 대해 제2 패스를 행할 수도 있다. 이러한 제2 패스 시나리오에서, 시뮬레이팅된 모형 용접 툴로부터 나오는 시뮬레이팅된 아크 근처에 제2 시뮬레이팅된 용접 퍼들을 형성하는 것에 의해, 시뮬레이팅된 모형 용접 툴이 제1 시뮬레이팅된 용접 비드 재료와 융합하는 제2 시뮬레이팅된 용접 비드 재료를 퇴적할 때, 시뮬레이션은 가상 현실 공간에서 시뮬레이팅된 모형 용접 툴, 용접 쿠폰 및 원래의 시뮬레이팅된 용접 비드 재료를 나타낸다. 동일한 또는 상이한 용접 툴 또는 프로세스를 사용하는 추가적인 후속 패스는 유사한 방식으로 이루어질 수도 있다. 임의의 제2 또는 후속하는 패스에서는, 본 발명의 소정의 실시형태에 따르면, 이전의 용접 비드 재료는, 용접 비드 재료, 새로운 용접 비드 재료, 및 어쩌면 기저의 쿠폰 재료 중 임의의 것의 조합으로부터 새로운 용접 퍼들이 가상 현실 공간에 형성될 때 퇴적되는 새로운 용접 비드 재료와 융합하여 결과적으로 나타나는 가상 용접물을 수정하게 된다. 이러한 후속하는 패스는, 예를 들면, 이전의 패스에 의해 형성된 용접 비드를 수선하기 위해 수행되는 큰 필렛 또는 홈 용접을 행하는 데 필요할 수도 있거나, 또는 파이프 용접에서 행해지는 것과 같이 루트 패스 이후에 핫 패스(hot pass) 및 하나 이상의 필 앤 캡 패스(fill and cap passes)을 포함할 수도 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, 용접 비드 및 베이스 재료는 연강(mild steel), 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈 기반 합금, 또는 다른 재료를 포함할 수도 있다.
도 14a 및 도 14b는, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 용접 픽셀(웩셀) 변위 맵(1420)의 개념을 예시한다. 도 14a는 평행한 상면(1410)을 갖는 편평한 상면(1410)을 갖는 편평한 용접 쿠폰(WC)(1400)의 측면도를 도시한다. 용접 쿠폰(1400)은, 실 세계에서, 예를 들면, 플라스틱 부품으로서 존재하고, 가상 현실 공간에서 시뮬레이팅된 용접 쿠폰으로서 존재한다. 도 14b는 웩셀 맵(1420)을 형성하는 용접 엘리먼트(즉, 웩셀)의 그리드 또는 어레이로 나누어진 시뮬레이팅된 WC(1400)의 상면(1410)의 표현을 도시한다. 각각의 웩셀(예를 들면, 웩셀(1421))은 용접 쿠폰의 표면(1410)의 작은 부분을 정의한다. 웩셀 맵은 표면 해상도를 정의할 수도 있다. 변경가능한 채널 파라미터 값이 각각에 웩셀에 할당되어, 각각의 웩셀의 값이 시뮬레이팅된 용접 프로세스 동안 가상 현실 용접 공간에서 실시간으로 변하는 것을 허용하게 된다. 변경가능한 채널 파라미터 값은 퍼들(Puddle)(용융된 금속 유동성/점성 변위), 열(Heat)(열 흡수/소산), 변위(Displacement)(고체 변위), 및 기타(Extra)(다양한 기타 상태, 예를 들면, 슬래그, 그레인, 스코칭, 처녀 금속) 채널에 대응한다. 이들 변경가능한 채널은 본원에서는 "퍼들, 열, 기타, 및 변위(Puddle, Heat, Extra, and Displacement)" 각각을 대신해서 PHED로서 칭해진다.
도 15는 도 1의 시스템(100)에서 시뮬레이팅되는 도 14의 편평한 용접 쿠폰(WC)(1400)의 용접 공간 및 쿠폰 공간의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 포인트(O, X, Y, 및 Z)는 국소적인 3D 쿠폰 공간을 정의한다. 일반적으로, 각각의 쿠폰 타입은 3D 쿠폰 공간으로부터 2D 가상 현실 용접 공간으로의 매핑을 정의한다. 도 14의 웩셀 맵(1420)은 가상 현실에서의 용접 공간으로 매핑하는 값의 2차원 어레이이다. 유저는 도 15에 도시된 바와 같이 포인트 B로부터 포인트 E로 용접할 것이다. 포인트 B로부터 포인트 E로의 궤적 라인은 도 15에서 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 둘 다에서 도시된다.
쿠폰의 각각의 타입은 웩셀 맵에서의 각각의 위치에 대한 변위의 방향을 정의한다. 도 15의 편평한 용접 쿠폰의 경우, 변위의 방향은 웩셀 맵의 모든 위치에서 동일하다(즉, Z 방향에 있다). 웩셀 맵의 텍스쳐 좌표는, 매핑을 명확히 하기 위해 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 둘 다에서 S, T(종종 U, V로 칭함)로서 도시된다. 웩셀 맵은 용접 쿠폰(1400)의 직사각형 표면(1410)으로 매핑되어 그 직사각형 표면(1410)을 표현한다.
도 16은 도 1의 시스템(100)에서 시뮬레이팅되는 코너(T 조인트) 용접 쿠폰(WC)(1600)의 용접 공간 및 쿠폰 공간의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 코너 WC(1600)는 3D 쿠폰 공간에서 2개의 표면(1610 및 1620)을 가지며, 2개의 표면(1610 및 1620)은 도 16에 도시된 바와 같이 2D 용접 공간으로 매핑된다. 다시, 포인트(O, X, Y, 및 Z)는 국소적인 3D 쿠폰 공간을 정의한다. 웩셀 맵의 텍스쳐 좌표는, 매핑을 명확히 하기 위해 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 둘 다에서 S, T로서 도시된다. 유저는 도 15에 도시된 바와 같이 포인트 B로부터 포인트 E로 용접할 것이다. 포인트 B로부터 포인트 E로의 궤적 라인은 도 16에서 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 둘 다에서 도시된다. 그러나, 변위 방향은, 도 16에 도시된 바와 같이 반대 코너를 향해, 3D 쿠폰 공간에서 도시된 바와 같이 X'-O' 라인을 향한다.
도 17은 도 1의 시스템(100)에서 시뮬레이팅되는 파이프 용접 쿠폰(WC)(1700)의 용접 공간 및 쿠폰 공간의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 파이프 WC(1700)는 3D 쿠폰 공간에서 곡면(1710)을 가지며, 그 곡면(1710)은 도 17에 도시된 바와 같이 2D 용접 공간으로 매핑된다. 다시, 포인트(O, X, Y, 및 Z)는 국소적인 3D 쿠폰 공간을 정의한다. 웩셀 맵의 텍스쳐 좌표는, 매핑을 명확히 하기 위해 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 둘 다에서 S, T로서 도시된다. 유저는 도 17에 도시된 바와 같이 곡선 궤적을 따라 포인트 B로부터 포인트 E로 용접할 것이다. 포인트 B로부터 포인트 E로의 궤적 곡선 및 궤적 라인은 도 17에서 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간에서 각각 도시된다. 변위의 방향은 Y-O 라인으로부터 멀어진다(즉, 파이프의 중심으로부터 멀어진다). 도 18은 도 17의 파이프 용접 쿠폰(WC)(1700)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 파이프 WC(1700)는 비철의 비도전성 플라스틱으로 만들어지고, 루트 조인트(1703)을 형성하도록 함께 이어지는 2개의 파이프 조각(piece)(1701 및 1702)을 시뮬레이팅한다. T/S(170)의 암(173)에 부착하기 위한 부착 조각(1704)이 또한 도시된다.
텍스쳐 맵이 기하학적 형상(geometry)의 직사각형 표면에 매핑될 수도 있는 유사한 방식으로, 용접 가능한 웩셀 맵이 용접 쿠폰의 직사각형 표면에 매핑될 수도 있다. 용접 가능한 맵의 각각의 엘리먼트는, 픽쳐의 각각의 엘리먼트가 픽셀(픽쳐 엘리먼트의 줄임말)로 칭해지는 바로 그 의미에서 웩셀로 칭해진다. 픽셀은 컬러(예를 들면, 레드, 그린, 블루 등등)를 정의하는 정보의 채널을 포함한다. 웩셀은 가상 현실 공간에서의 용접가능한 표면을 정의하는 정보(예를 들면 P, H, E, D)의 채널을 포함한다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 웩셀의 포맷은, 4개의 플로팅 포인트 번호를 포함하는 채널 PHED(Puddle, Heat, Extra, Displacement; 퍼들, 열, 기타, 변위)로서 요약된다. 기타 채널은, 예를 들면, 웩셀 위치에 임의의 슬래그가 존재하는지 또는 그렇지 않은지와 같은 웩셀에 관한 논리 정보를 저장하는 비트의 세트로서 취급된다. 퍼들 채널은 웩셀 위치에서의 임의의 액화된 금속에 대한 변위 값을 저장한다. 변위 채널은 웩셀 위치에서의 응고된 금속에 대한 변위 값을 저장한다. 열 채널은 웩셀 위치에서의 열의 크기를 제공하는 값을 저장한다. 이렇게 하여, 쿠폰의 용접가능한 부분은 용접된 비드에 기인하는 변위, 액체 금속에 기인하는 가물거리는(shimmering) 표면 "퍼들", 열에 기인하는 컬러 등등을 나타낼 수 있다. 이들 효과의 모두는 용접가능한 표면에 적용된 정점(vertex) 및 픽셀 셰이더에 의해 달성된다. 본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 웩셀은, 예를 들면, 웩셀에 대한 입열(heat input)에 기인하여 용접 시뮬레이션 동안 변경될 수도 있는 특정한 야금 특성(metallurgical property)을 또한 통합할 수도 있다. 이러한 야금 특성은 용접물의 가상 테스팅 및 검사를 시뮬레이팅하는 데 사용될 수도 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 변위 맵 및 파티클 시스템이 사용되는데, 파티클은 서로 상호작용하고 변위 맵과 충돌할 수 있다. 파티클은 가상의 동적 유체 파티클이고 용접 퍼들의 액체 거동을 제공하지만 직접적으로 렌더링되지는 않는다(즉, 시각적으로 직접적으로 보이지는 않는다). 대신, 변위 맵에 대한 입자 효과만이 시각적으로 보인다. 웩셀로의 입열은 근처 파티클의 움직임에 영향을 끼친다. 용접 퍼들을 시뮬레이팅함에 있어서 수반되는 두 타입의 변위가 존재하는데, 그 두 타입은 퍼들과 변위를 포함한다. 퍼들은 "일시적이며", 파티클 및 열 존재가 존재하는 동안에만 지속한다. 변위는 "영구적이다". 퍼들 변위는, 급격하게 변하는(예를 들면, 가물거리는) 용접의 액체 금속이며 변위의 "상부 상에(on top)" 있는 것으로 생각될 수 있다. 파티클은 가상 표면 변위 맵(즉, 웩셀 맵)의 일부를 덮는다. 변위는, 초기 베이스 금속 및 응고된 용접 비드 둘 다를 포함하는 영구적인 고체 금속을 나타낸다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 가상 현실 공간에서의 시뮬레이팅된 용접 프로세스는 다음과 같이 작용한다: 파티클이 얇은 원추(cone)의 에미터(시뮬레이팅된 MWT(160)의 에미터)로부터 흘러나온다. 파티클은 시뮬레이팅된 용접 쿠폰의 표면과 먼저 접촉하는데, 표면은 웩셀 맵에 의해 정의된다. 파티클은 서로 그리고 웩셀 맵과 상호작용하고 실시간으로 축적된다. 웩셀이 가까울수록 에미터에 더 많은 열이 가해진다. 열은 아크 포인트로부터의 거리 및 아크로부터 열이 입력된 시간의 양에 의존하여 모델링된다. 소정의 시각적 요소(예를 들면, 컬러 등등)는 열에 의해 구동된다. 용접 퍼들은 가상 현실 공간에서 충분한 열을 갖는 웩셀에 대해 묘화되거나 렌더링된다. 충분히 뜨거운 곳 어디에서나, 웩셀 맵은 액화되어, 그들 웩셀 위치에 대해 퍼들 변위로 하여금 "상승"하게 한다. 퍼들 변위는 각각의 웩셀 위치에서 "가장 높은" 파티클을 샘플링하는 것에 의해 결정된다. 에미터가 용접 궤적을 따라 이동함에 따라, 뒤에 남게 된 용접 장소는 냉각된다. 열은 특정 레이트에서 웩셀 위치로부터 제거된다. 냉각 임계치에 도달되면, 웩셀 맵은 응고된다. 이와 같이, 퍼들 변위는 점차적으로 변위(즉, 응고된 비드)로 변환된다. 더해진 변위는, 전체 높이가 변하지 않도록, 제거된 퍼들에 상당한다. 파티클 수명은 응고가 완료할 때까지 지속하도록 개조되든지 또는 조정된다. 시스템(100)에서 모델링되는 소정의 파티클 특성은 인력/척력, 속도(열에 관련됨), 감쇠(attraction)(열 소산에 관련됨), 방향(중력에 관련됨)을 포함한다.
도 19a 내지 도 19c는 도 1의 시스템(100)의 이중 변위(변위 및 파티클) 퍼들 모델의 개념의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 가상 현실 공간에서 적어도 하나의 표면을 갖는 용접 쿠폰이 시뮬레이팅된다. 용접 쿠폰의 표면은 가상 공간에서 고체 변위층 및 퍼들 변위층을 포함하는 이중 변위층으로서 시뮬레이팅된다. 퍼들 변위층은 고체 변위층을 수정할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "퍼들"은, 퍼들 값이 파티클의 존재에 의해 상승된 웩셀 맵의 영역에 의해 정의된다. 샘플링 프로세스는 도 19a 내지 도 19c에서 나타내어진다. 웩셀 맵의 한 섹션은 7개의 인접한 웩셀을 갖는 것으로 도시된다. 현재의 변위 값은 주어진 높이(즉, 각각의 웩셀에 대한 주어진 변위)의 음영이 없는 직사각형 바(1910)에 의해 나타내어진다. 도 19a에서, 파티클(1920)은 현재의 변위 레벨과 충돌하는 둥근형태의 음영이 없는 점으로서 도시되고 쌓여 있다. 도 19b에서, "가장 높은" 파티클 높이(1930)는 각각의 웩셀 위치에서 샘플링된다. 도 19c에서, 음영이 있는 직사각형(1940)은 파티클의 결과로서 변위의 상부 상에 얼마나 많은 퍼들이 추가되었는지를 도시한다. 용접 퍼들 높이는, 퍼들이 열에 기초하여 특정한 액화율로 추가되기 때문에, 샘플링된 값에 즉각적으로 설정되지 않는다. 도 19a 내지 도 19c에서는 도시되지 않았지만, 퍼들(음영이 있는 직사각형)이 점차적으로 수축하고 또한 변위(음영이 없는 직사각형)가 아래에서부터 점차적으로 성장하여 퍼들의 자리를 정확하게 차지함에 따라, 응고 프로세스를 시각화하는 것이 가능하다. 이 방식에서, 실시간 용융 금속 유동성 특성이 정확하게 시뮬레이팅된다. 유저가 특정 용접 프로세스를 연습할 때, 유저는 용접 퍼들의 용융된 금속 유동성 특성 및 열 소산 특성을 실시간으로 가상 공간에서 관측할 수 있고 이 정보를 이용하여 자신의 용접 기술을 조정하거나 유지할 수 있다.
용접 쿠폰의 표면을 나타내는 웩셀의 수는 고정된다. 또한, 본원에서 설명되는 바와 같이, 유동성을 모델링하는 시뮬레이션에 의해 생성된 퍼들 파티클은 일시적이다. 따라서, 시스템(100)을 사용하여 시뮬레이팅된 용접 프로세스 동안 초기 퍼들이 가상 공간에서 생성되면, 웩셀의 수 플러스 퍼들 파티클이 비교적 일정하게 유지되는 경향이 있다. 이것은, 처리되고 있는 웩셀의 수는 고정되고 그리고 용접 프로세스 동안 존재하며 처리되고 있는 퍼들 파티클의 수는 퍼들 파티클이 비슷한 레이트로 생성되고 "파괴"되는 것으로 인해(즉, 퍼들 파티클이 일시적인 것으로 인해) 비교적 일정하게 유지되는 경향이 있기 때문이다. 따라서, PPS(110)의 처리 부하는 시뮬레이팅된 용접 세션 동안 비교적 일정하게 유지된다.
본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 퍼들 파티클은 용접 쿠폰의 표면 내에서 또는 아래에서 생성될 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 변위는, 처녀(즉, 용접되지 않은) 쿠폰의 원래의 표면 변위에 대해 양 또는 음으로 모델링될 수도 있다. 이 방식에서, 퍼들 파티클은 용접 쿠폰 상에 쌓일 뿐만 아니라, 용접 쿠폰을 또한 관통할 수도 있다. 그러나, 웩셀의 수는 여전히 고정되며 또한 생성되고 파괴되는 퍼들 파티클은 여전히 비교적 일정하다.
본 발명의 대안적 실시형태에 따르면, 파티클을 모델링하는 대신, 퍼들의 유동성을 모델링하기 위한 더 많은 채널을 갖는 웩셀 변위 맵이 제공될 수도 있다. 또한, 파티클을 모델링하는 대신, 고밀도 복셀 맵(dense voxel map)이 모델링될 수도 있다. 또는, 웩셀 맵 대신, 샘플링되고 절대 없어지지 않는 파티클만이 모델링될 수도 있다. 그러나, 이러한 대안적인 실시형태는 시스템에 대해 비교적 일정한 처리 부하를 제공하지 않을 수도 있다.
또한, 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 재료를 제거하는 것에 의해 블로우스루(blowthrough) 또는 키홀(keyhole)이 시뮬레이팅된다. 예를 들면, 실 세계에서, 유저가 동일한 장소에서 너무 오랫동안 아크를 유지하면, 재료는 타버리고 구멍을 야기할 것이다. 이러한 실 세계의 용락은, 웩셀 데시메이션 기술에 의해 시스템(100)에서 시뮬레이팅된다. 웩셀에 의해 흡수되는 열의 양이 너무 많은 것으로 시스템(100)에 의해 결정되면, 그 웩셀은 타 버린 것으로 플래그되거나 또는 지정되고 그렇게 렌더링된다(예를 들면, 홀로서 렌더링된다). 그러나, 후속하여, 소정의 용접 프로세스(예를 들면, 파이프 용접)에 대해 웩셀 재구성이 발생할 수도 있는데, 웩셀 재구성에서는, 재료가 초기에 타 버린 이후, 다시 추가된다. 일반적으로, 시스템(100)은 웩셀 데시메이션(재료를 제거함) 및 웩셀 재구성(즉, 재료를 다시 추가함)을 시뮬레이팅한다. 또한, 루트 패스 용접에서 재료를 제거하는 것이 시스템(100)에서 적절히 시뮬레이팅된다.
또한, 루트 패스 용접에서 재료를 제거하는 것이 시스템(100)에서 적절히 시뮬레이팅된다. 예를 들면, 실 세계에서, 루트 패스의 연마는 후속하는 용접 패스 이전에 수행될 수도 있다. 마찬가지로, 시스템(100)은 가상의 용접 조인트로부터 재료를 제거하는 연마 패스를 시뮬레이팅할 수도 있다. 제거된 재료는 웩셀 맵 상의 음의 변위로서 모델링될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 즉, 연마 패스는, 시스템(100)에 의해 모델링되는 재료를 제거하여 비드 윤곽이 변경되게 한다. 연마 패스의 시뮬레이션은 자동적일 수도 있는데, 즉, 시스템(100)은 재료의 소정의 두께를 제거하고, 이 제거는 루트 패스 용접 비드의 표면에 관련될 수도 있다.
대안적인 실시형태에서, 모형 용접 툴(160) 또는 다른 입력 디바이스의 활성화에 의해 턴온 및 턴오프되는 실제 연마 툴, 또는 그라인더가 시뮬레이팅된다. 연마 툴은 실 세계 그라인더를 닮도록 시뮬레이팅될 수도 있음을 주목한다. 이 실시형태에서, 유저는 루트 패스를 따라 연마 툴을 움직이고 그 움직임에 응답하여 재료를 제거한다. 유저는 너무 많은 재료를 제거하도록 허용될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 위에서 설명된 것과 유사한 방식에서, 유저가 너무 많은 재료를 연마하면, 홀 또는 다른 결함(위에서 설명됨)이 야기될 수도 있다. 또한, 유저가 너무 많은 재료를 제거하는 것을 방지하기 위해 또는 너무 많은 재료가 제거되고 있는 경우를 나타내기 위해, 하드 리밋(hard limit) 또는 하드 스톱(hard stop)이 구현될 수도 있다, 즉, 프로그래밍될 수도 있다.
본원에서 설명되는 비시각적인 "퍼들 파티클" 외에, 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 아크(Arc), 불꽃(Flame), 및 스파크(Spark) 효과를 나타내기 위해, 시스템(100)은 3개의 다른 타입의 시각적 파티클을 또한 사용한다. 이들 타입의 파티클은 임의의 타입의 다른 파티클과 상호작용하지 않지만 유일하게 변위 맵과는 상호작용한다. 이들 파티클이 시뮬레이팅된 용접 표면과 충돌하는 동안, 그들은 서로 상호작용하지 않는다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 오직 퍼들 파티클만이 서로 상호작용한다. 스파크 파티클의 물리적 성질은, 가상 현실 공간에서 스파크 파티클이 튀어 오르고 빛나는 도트로서 렌더링되도록 셋업된다.
아크 파티클의 물리적 성질은, 아크 파티클이 시뮬레이팅된 쿠폰 용접 비드의 표면에 충돌하여 잠시 동안 머무르도록 셋업된다. 아크 파티클은 가상 현실 공간에서 더 큰 희미한 희고 푸른 빛을 띈 스팟으로서 렌더링된다. 임의의 종류의 시각적 이미지를 형성하는 것은, 많은 이러한 스팟을 중첩시키는 것을 필요로 한다. 최종 결과는 청색의 에지를 갖는 백색의 빛나는 원광(nimbus)이다.
불꽃 파티클의 물리적 성질은, 위쪽으로 천천히 상승하도록 모델링된다. 불꽃 파티클은 중간 사이즈의 희미한 주황색(red-yellow) 스팟으로 렌더링된다. 임의의 종류의 시각적 이미지를 형성하는 것은, 많은 이러한 스팟을 중첩시키는 것을 필요로 한다. 최종 결과는, 위로 상승하며 서서히 없어지는 붉은색 에지를 갖는 오렌지색의 붉은 불꽃의 망울(blob)이다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 다른 타입의 비퍼들 파티클이 시스템(100)에서 구현될 수도 있다. 예를 들면, 불꽃 파티클과 유사한 방식으로 연기 파티클이 모델링되어 시뮬레이팅될 수도 있다.
시뮬레이팅된 시각화에서의 최종 단계는 GPU(115)의 셰이더(117)(도 11 참조)에 의해 제공되는 정점 및 픽셀 셰이더에 의해 핸들링된다. 정점 및 픽셀 셰이더는 퍼들 및 변위뿐만 아니라, 열 등등에 기인하여 수정된 표면 컬러 및 반사도를 적용한다. PHED 웩셀 포맷의 기타(E) 채널은, 본원에서 앞서 논의된 바와 같이, 웩셀마다 사용되는 모든 기타 정보를 포함한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 기타 정보는 비처녀 비트(참=비드, 거짓=처녀강(virgin steel)), 슬래그 비트, 언더컷 값(이 웩셀에서의 언더컷의 양, 제로는 언더컷이 없는 경우와 동일함), 유공성 값(이 웩셀에서의 유공성의 양, 제로는 유공성이 없는 것과 동일함), 및 비드가 응고하는 시간을 인코딩하는 비드 웨이크 값을 포함한다. 처녀강, 슬래그, 비드, 및 유공성을 포함하는 상이한 쿠폰 시각요소와 관련된 이미지맵의 세트가 존재한다. 이들 이미지 맵은 범프 매핑 및 텍스쳐 매핑 둘 다를 위해 사용된다. 이들 이미지 맵의 혼합 양은 본원에서 설명되는 다양한 플래그 및 값에 의해 제어된다.
비드 웨이크 효과는 1D 이미지 맵 및 비드의 주어진 비트가 응고된 시간을 인코딩하는 웩셀 단위 비드 웨이크 값을 사용하여 달성된다. 핫 퍼들 웩셀 위치가 "퍼들"로 불릴 정도로 더 이상 충분히 뜨겁지 않으면, 그 위치에서의 시간이 저장되고 "비드 웨이크"로 칭해진다. 최종 결과는, 비드가 놓여졌던 방향을 표현하는 비드 고유의 외관을 비드에게 부여하는 "리플"을 묘사하기 위해, 셰이더 코드가 1D 텍스쳐 맵을 사용할 수 있는 것이다. 본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 시뮬레이팅된 용접 퍼들이 용접 궤적을 따라 움직임에 따라, 시스템(100)은, 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 실시간의 유동성에서 응고로의 전환으로부터 야기되는 실시간의 용접 비드 웨이크 특성을 갖는 용접 비드를, 가상 현실 공간에서, 시뮬레이팅하고 디스플레이할 수 있다.
본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 시스템(100)은 용접 머신의 문제를 해결하는 법을 유저에게 가르칠 수 있다. 예를 들면, 시스템의 문제해결 모드는, 유저가 시스템을 정확하게 셋업하는 것을 반드시 확인하도록(예를 들면, 가스 유량을 바로잡도록, 연결된 전력 코드를 바로잡도록 등등) 유저를 훈련시킬 수도 있다. 본 발명의 다른 대안적인 실시형태에 따르면, 시스템(100)은 용접 세션(또는, 용접 세션의 적어도 일부, 예를 들면, N 프레임)을 기록하고 재생할 수 있다. 비디오의 프레임을 스크롤하여 유저 또는 강사가 용접 세션을 비평하는 것을 허용하도록, 트랙볼이 제공될 수도 있다. 또한, 재생은 선택가능한 속도로 제공될 수도 있다(예를 들면, 풀 스피드, 절반의 스피드, 또는 1/4의 스피드). 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 분할 화면 재생이 제공되어, 예를 들면, ODD(150) 상에서 2개의 용접 세션을 나란히 관찰하는 것을 허용할 수도 있다. 예를 들면, 비교 목적을 위해, "불량의" 용접 세션 다음에 "양호한" 용접 세션이 관찰될 수도 있다.
가상 테스팅 및 검사
본 발명의 실시형태는 가상 용접물의 가상 테스팅 및 검사를 위한 시스템을 포함한다. 시스템은 코딩된 명령을 실행하도록 동작가능한 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템을 포함한다. 코딩된 명령은 렌더링 엔진 및 분석 엔진을 포함한다. 렌더링 엔진은, 시뮬레이팅된 테스팅 이전의 3차원(3D) 가상 용접물, 시뮬레이팅된 테스팅 중에 있는 가상 용접물의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이팅된 테스팅 이후의 3D 가상 용접물 중 적어도 하나를 렌더링하도록 구성된다. 분석 엔진은 3D 가상 용접물의 시뮬레이팅된 테스팅을 수행하도록 구성된다. 시뮬레이팅된 테스팅은 시뮬레이팅된 파괴 테스팅 및 시뮬레이팅된 비파괴 테스팅 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 분석 엔진은 또한, 합격/불합격 상태 및 결함/불연속부 특성 중 적어도 하나에 대해, 시뮬레이팅된 테스팅 이전의 3D 가상 용접물, 시뮬레이팅된 테스팅 중에 있는 가상 용접물의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이팅된 테스팅 이후의 3D 가상 용접물 중 적어도 하나의 검사를 수행하도록 구성된다. 시스템은, 시뮬레이팅된 테스팅 이전의 3D 가상 용접물, 시뮬레이팅된 테스팅 중에 있는 가상 용접물의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이팅된 테스팅 이후의 3D 가상 용접물 중 적어도 하나를 디스플레이하기 위해 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결된 적어도 하나의 디스플레이 디바이스를 또한 포함한다. 시스템은, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결되며 시뮬레이팅된 테스팅 이전의 3D 가상 용접물, 시뮬레이팅된 테스팅 중에 있는 가상 용접물의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이팅된 테스팅 이후의 3D 가상 용접물 중 적어도 하나의 방향을 적어도 조작하기 위해 구성된 유저 인터페이스를 더 포함한다. 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템은 중앙 처리 유닛 및 적어도 하나의 그래픽 처리 유닛을 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 그래픽 프로세싱 유닛은 컴퓨터 통합형 디바이스 아키텍처(computer unified device architecture; CUDA) 및 셰이더를 포함한다. 분석 엔진은 전문가 시스템, 서포트 벡터 머신(support vector machine; SVM), 뉴럴 네트워크(neural network), 및 하나 이상의 지능형 에이전트 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 분석 엔진은, 시뮬레이팅된 테스팅 이전의 3D 가상 용접물, 시뮬레이팅된 테스팅 중에 있는 가상 용접물의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이팅된 테스팅 이후의 3D 가상 용접물 중 적어도 하나를 분석하기 위해, 용접 코드 데이터 또는 용접 표준 데이터를 사용할 수도 있다. 분석 엔진은, 가상 용접물을 검사하기 위해 유저가 유저 인터페이스를 사용하는 것에 의해 액세스되고 조작될 수 있는 프로그래밍된 가상 검사 툴을 또한 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 가상 용접 테스팅 및 검사 시뮬레이터를 포함한다. 시뮬레이터는 렌더링된 3D 가상 용접물에 대해 하나 이상의 시뮬레이팅된 파괴 및 비파괴 테스트를 수행하기 위한 수단을 포함한다. 시뮬레이터는 렌더링된 3D 가상 용접물에 대해 하나 이상의 시뮬레이팅된 파괴 및 비파괴 테스트의 결과를 분석하기 위한 수단을 또한 포함한다. 시뮬레이터는, 적어도, 3D 가상 용접물의 시뮬레이팅된 테스트 이후에, 렌더링된 3D 가상 용접물을 검사하기 위한 수단을 더 포함한다. 시뮬레이터는 3D 가상 용접물을 렌더링하기 위한 수단을 또한 포함할 수도 있다. 시뮬레이터는, 하나 이상의 시뮬레이팅된 파괴 및 비파괴 테스트 동안, 가상 용접물의 3D 애니메이션을 렌더링하기 위한 수단을 더 포함할 수도 있다. 시뮬레이터는 가상 용접물의 3D 애니메이션의 방향을 디스플레이하고 조작하기 위한 수단을 또한 포함할 수도 있다. 시뮬레이터는 3D 가상 용접물의 시뮬레이팅된 테스팅 이전에, 동안에, 그리고 이후에 3D 가상 용접물을 검사하기 위한 수단을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 추가 실시형태는 가상 현실 공간에서 렌더링된 베이스라인 가상 용접물의 품질을 평가하는 방법을 포함한다. 방법은, 베이스라인 가상 용접물의 적어도 하나의 특성을 테스트하도록 구성된 컴퓨터 시뮬레이팅된 제1 테스트를, 베이스라인 가상 용접물에 대해 실시하는 것을 포함한다. 방법은 제1 테스트를 받은 가상 용접물을 렌더링하는 것 및 제1 테스트에 응답하여 제1 테스트 데이터를 생성하는 것을 또한 포함한다. 방법은, 적어도 하나의 특성에 관해 제1 테스트를 받은 가상 용접물의 적어도 하나의 합격/불합격 상태를 결정하도록 구성된 컴퓨터 시뮬레이팅된 분석을, 제1 테스트를 받은 가상 용접물 및 제1 테스트 데이터에 대해 실시하는 것을 더 포함한다. 컴퓨터 시뮬레이팅된 제1 테스트는 실 세계의 파괴 테스트 또는 실 세계의 비파괴 테스트를 시뮬레이팅한다. 방법은, 베이스라인 가상 용접물을 가상 현실 공간에서 다시 렌더링하는 것, 베이스라인 가상 용접물의 적어도 하나의 다른 특성을 테스트하도록 구성된 컴퓨터 시뮬레이팅된 제2 테스트를 베이스라인 가상 용접물에 대해 실시하는 것, 제2 테스트에 응답하여 제2 테스트를 받은 가상 용접물을 렌더링하고 제2 테스트 데이터를 생성하는 것, 및 적어도 하나의 다른 특성에 관해 제2 테스트를 받은 가상 용접물의 적어도 하나의 다른 합격/불합격 상태를 결정하도록 구성된 컴퓨터 시뮬레이팅된 분석을, 제2 테스트를 받은 가상 용접물과 제2 테스트 데이터에 대해 실시하는 것을 더 포함할 수도 있다. 컴퓨터 시뮬레이팅된 제2 테스트는 실 세계의 파괴 테스트 또는 실 세계의 비파괴 테스트를 시뮬레이팅한다. 방법은 렌더링된 제1 테스트를 받은 가상 용접물의 디스플레이된 버전을 수동으로 검사하는 것을 더 포함할 수도 있다. 방법은 렌더링된 제2 테스트를 받은 가상 용접물의 디스플레이된 버전을 수동으로 검사하는 것을 또한 포함할 수도 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 가상 현실 공간에 형성되는 완성된 가상 용접물은 용접 결함에 대해 분석될 수도 있고 이러한 용접물이 표준 산업 테스트에서 합격할지 또는 불합격할지에 관한 결정이 이루어질 수도 있다. 소정의 결함은 용접물 내의 소정 위치 내에서 소정 타입의 불합격을 야기할 수도 있다. 임의의 결함 또는 불연속부를 나타내는 데이터는, 가상 용접물을 사전 정의하는 것 또는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 가상 현실 아크 용접(VRAW) 시스템)을 가상 용접 프로세스의 일부로서 사용하여 가상 용접물을 생성하는 것 중 어느 하나에 의해, 가상 용접물의 정의의 일부로서 포착될 수도 있다.
또한, 임의의 특정 테스트의 합격/불합격에 대한 기준은, 예를 들면 AWS 용접 표준과 같은 미리 정의된 용접 코드 및 표준에 기초하여 선험적으로 알려져 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 가상 용접물의 시뮬레이팅된 파괴 또는 비파괴 테스트의 시각화를 허용하는 애니메이션이 생성된다. 동일한 가상 용접물은 많은 상이한 방식으로 테스트될 수 있다. 가상 용접물의 테스팅 및 검사는, 본원에서 나중에 상세히 설명되는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 가상 현실 아크 용접(VRAW) 시스템) 상에서 발생할 수도 있다. 가상 용접물의 검사는, 본원에서 나중에 상세히 설명되는 독립형 가상 용접물 검사(VWI) 상에서 발생할 수도 있다.
VRAW 시스템은, 유저가 실제로 용접하고 있는 것처럼 용접 시나리오를 시뮬레이팅하는 것에 의해 유저가 가상 용접물을 실시간으로 생성하는 것을 허용하고, 결함 및 불연속부를 포함하는, 가상 용접물을 정의하는 결과적으로 나타나는 데이터 모두를 포착할 수도 있다. VRAW 시스템은 또한, 가상 용접물의 가상 파괴 및 비파괴 테스팅 및 검사뿐만 아니라 가상 용접물의 재료 테스팅 및 검사도 수행할 수 있다. 독립형 VWI 시스템은 미리 정의된 가상 용접물 또는 VRAW 시스템을 사용하여 생성된 가상 용접물을 입력할 수 있고, 가상 용접물의 가상 검사를 수행할 수 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 3차원 가상 용접물 또는 부품은 컴퓨터 보조 디자인(computer-aided design; CAD) 모델로부터 유도될 수도 있다. 따라서, 테스팅 및 검사는 특정 부품에 대한 불규칙한 기하학적 형상에 대해 시뮬레이팅될 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, VRAW 시스템은 미리 정의된 가상 용접물의 가상 검사를 또한 수행할 수 있다. 예를 들면, VRAW 시스템은, 양호한 용접이 어떻게 보여야 하는지를 학습하기 위해 실습생이 참조할 수도 있는 미리 만들어진 가상 용접물을 포함할 수도 있다.
다양한 타입의 용접 불연속부 및 결함은, 부적절한 용접 사이즈, 불량한 비드 배치, 오목형 비드, 과도하게 튀어나옴, 언더컷, 유공성, 불완전 융합, 슬래그 포함, 과도한 스패터, 오버필, 크랙, 및 용락 또는 멜트 스루를 포함하는데, 이들 모두는 기술분야에서 널리 알려져 있다. 예를 들면, 언더컷은 부정확한 용접의 각도에 종종 기인한다. 유공성은, 용접물로부터 너무 멀리 떨어지게 아크를 이동시키는 것에 의해 종종 야기되는, 응고 동안의 가스 포획에 의해 형성된 캐비티 타입의 불연속부이다. 부정확한 프로세스, 충전 재료, 와이어 사이즈, 또는 기술에 기인하여 다른 문제점이 발생할 수도 있는데, 이들 모두는 시뮬레이팅될 수도 있다.
수행될 수도 있는 다른 타입의 파괴 테스트는 루트 굽힘 테스트, 면 굽힘 테스트(face bend test), 측부 굽힘 테스트(side bend test), 인장 또는 당김 테스트, 파단 테스트(예를 들면, 노치 파단 테스트(nick break test) 또는 T 이음 파단 테스트), 충격 테스트, 경도 테스트를 포함하는데, 이들 모두는 기술분야에서 널리 알려져 있다. 많은 이들 테스트의 경우, 용접물로부터 한 조각을 떼내고 그 조각에 대해 테스트가 수행된다. 예를 들면, 루트 굽힘 테스트는, 용접 루트가 특정한 굴곡 반경의 볼록한 표면 상에 있도록 용접물로부터 떼낸 조각을 굴곡시키는 테스트이다. 측부 굽힘 테스트는, 용접의 횡단면의 측부가 특정한 굴곡 반경의 볼록한 표면 상에 있도록 용접물을 굴곡시키는 테스트이다. 면 굽힘 테스트는, 용접면이 특정 굴곡 반경의 볼록한 표면 상에 있도록 용접물을 굴곡시키는 테스트이다.
추가적인 파괴 테스트는, 용접물에서 떼낸 조각을 용접물이 파괴될 때까지 당기거나 연신시켜(stretched), 용접의 탄성 한계 및 인장 강도를 테스트하는 인장 또는 당김 테스트이다. 다른 파괴 테스트는 파단 테스트이다. 한 타입의 파단 테스트는, 2개의 섹션이 서로에 대해 90도 각도에서 용접되어 T 조인트를 형성하는 용접물에 대한 테스트인데, 이 경우 한 섹션이 다른 섹션을 향해 굴곡되어 용접이 파단되는지 또는 그렇지 않은지를 결정한다. 용접이 파단되면, 내부 용접 비드가 검사될 수 있다. 충격 테스트는, 충격을 가하는 엘리먼트가 다양한 온도에서 용접물에 힘을 가하여 용접물이 충격을 견디는 능력을 결정하는 테스트이다. 용접물은 정적인 부하 하에서는 양호한 강도를 나타낼 수도 있지만, 그러나 높은 속도의 충격을 받게 되면 부서질 수도 있다. 예를 들면, 진자 디바이스(pendulum device)가 사용되어 아래쪽으로 스윙하여 용접물에 부딪칠 수도 있는데(어쩌면 용접물을 파단할 수도 있는데) 샤르피 충격 테스트(Charpy impact test)로 칭해진다.
추가적인 파괴 테스트는, 용접 조인트에서의 압입(indentation) 또는 관입(penetration)에 견디는 용접물 능력을 테스트하는 경도 테스트이다. 용접물의 경도는 용접 조인트에서의 결과적으로 나타나는 야금 특성에 의존하는데, 그 야금 특성은, 부분적으로, 열 영향을 받는 구성에서 용접 조인트가 어떻게 냉각되는지에 기초한다. 2개의 타입의 경도 테스트는 브리넬 테스트(Brinell test) 및 로크웰 테스트(Rockwell test)이다. 두 테스트는 강체 구(hard sphere) 또는 뾰족한 다이아몬드 포인트 중 어느 하나를 갖는 압자(penetrator)를 사용한다. 압자는 표준화된 부하 하에서 용접에 적용된다. 부하가 제거되면, 관입이 측정된다. 테스트는 주변 금속의 여러 포인트에서 수행될 수도 있고 잠재적인 크랙에 대한 좋은 표시자이다. 추가적인 타입의 파괴 테스트는, 용접된 파이프를 그 파이프의 4개의 사분면의 각각에서 조각을 취하도록 절단하는 벤드 온 파이프(bend-on-pipe) 테스트이다. 조각 중 2개에 대해 루트 굽힘이 수행되고 조각 중 나머지 2개에 대해 면 굽힘이 수행된다.
수행될 수도 있는 다양한 타입의 비파괴 테스트는 방사선 투과 테스트(radiographic test) 및 초음파 테스트를 포함한다. 방사선 투과 테스트에서, 용접물은 X 레이에 노출되고, 검사될 수 있는, 용접 조인트의 X 레이 이미지가 생성된다. 초음파 테스트에서, 용접물은 초음파 에너지에 노출되고, 반사된 초음파로부터 용접 조인트의 다양한 특성이 유도된다. 소정 타입의 비파괴 테스팅의 경우, 용접물이 X 레이 또는 초음파에 (가상의 방식으로) 노출되고 내부 유공성, 슬래그 포획, 및 용입 부족(lack of penetration)과 같은 결함이 유저에게 시각적으로 제공된다. 다른 타입의 비파괴 테스팅은, 가상 현실 방식으로 시뮬레이팅될 수도 있는 염색 침투탐상(dye penetrant) 또는 침투탐상(liquid penetrant) 테스팅이다. 용접물이 염색 재료에 노출되고 그 다음 용접물은 현상액에 노출되어, 예를 들면, 육안으로는 보이지 않는 표면 크랙이 존재하는지를 결정한다. 다른 비파괴 테스팅은, 크랙을 검출하기 위해 또한 사용되며 가상 현실 방식으로 시뮬레이팅될 수도 있는 자기 파티클(magnetic particle) 테스팅이다. 용접물의 표면 아래의 작은 크랙은 용접물에 대한 부적절한 입열에 의해 생성될 수 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 진행 속도 및 다른 용접 프로세스 파라미터는 가상 현실 환경에서 추적되며 용접물로의 입열, 및 따라서, 가상 비파괴 테스팅을 사용하여 검출될 수도 있는 용접물의 표면 근처의 크랙을 결정하기 위해 사용된다.
또한, 시뮬레이팅된 구조체에서의 용접물의 시뮬레이션이 수행될 수도 있다. 예를 들면, VRAW 시스템의 유저에 의해 생성된 가상 용접 조인트를 갖는 가상 용접물은 테스팅을 위해 다리(bridge)의 가상 시뮬레이션 안으로 통합될 수도 있다. 가상 용접물은, 예를 들면, 다리의 주요 구조체 엘리먼트에 대응할 수도 있다. 다리는 무너지기 이전에 100년을 지속하도록 특정될 수도 있다. 테스트는, 용접물이 떨어지는지를 보기 위해, 경시적으로(즉, 가상 시간에서) 다리를 관측하는 것을 수반할 수도 있다. 예를 들면, 용접물이 불량 품질을 가지면(즉, 수용불가능한 불연속부 또는 결함을 가지면), 시뮬레이션은 45년 이후에 다리 붕괴의 애니메이션을 나타낼 수도 있다.
도 1 내지 도 19c는, 유저(용접공)에 의한 가상 용접물의 형성 및 용접물과 관련된 다양한 결함 및 불연속부 특성을 포함하는 실시간 용접 시나리오를 가상 현실 공간에서 시뮬레이팅할 수 있을 뿐만 아니라, 가상 용접물의 테스팅 및 검사를 시뮬레이팅할 수 있고 또한 영향을 관측하도록 테스트 중에 있는 가상 용접물의 애니메이션을 디스플레이할 수도 있는 가상 현실 아크 용접(VRAW) 시스템(100)의 한 실시형태를 개시한다. VRAW 시스템은 용접물의 복잡한 가상 렌더링을 생성할 수 있고 가상 용접물의 다양한 특성을 용접 코드와 비교하는 가상 렌더링의 복잡한 분석을 수행할 수 있다.
가상 검사는 다수의 상이한 방식 중 임의의 방식 및/또는 그 조합으로 VRAW 시스템 상에서 구현될 수도 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, VRAW 시스템은 전문가 시스템을 포함하고 한 세트의 규칙에 의해 구동된다. 전문가 시스템은, 문제에 대한 대답을 제공하거나, 또는 일반적인 한 명 이상의 사람의 전문가와 협의할 필요가 있는 불확실한 문제(uncertainty)를 명확히 하도록 시도하는 소프트웨어이다. 전문가 시스템은 특정 문제 영역에서 가장 일반적이며, 전통적인 애플리케이션 및/또는 인공 지능의 하위분야이다. 전문가의 성과를 시뮬레이팅하기 위해 아주 다양한 방법이 사용될 수 있지만, 그러나, 많은 것 중 공통된 것은 1) 직무 전문가(Subject Matter Expert; SME) 지식(예를 들면, 인증된 검사자의 지식)을 포착하기 위한 몇몇 지식 표현 형식을 사용하는 지식 베이스의 생성 및 2) SME로부터 지식을 수집하고 그것을 형식에 따라 코드화하는 프로세스인데, 이것은 지식 엔지니어링으로 칭해진다. 전문가 시스템은 학습용 컴포넌트를 구비할 수도 또는 구비하지 않을 수도 있지만, 제3 공통 엘리먼트는, 일단 시스템이 개발되면, 사람 SME로서, 통상적으로는 사람 작업자에 대한 보조로서 또는 몇몇 정보 시스템에 대한 보충으로서 동일한 실 세계의 문제 해결 상황에 배치되는 것에 의해, 시스템이 개발된 것이 증명된다는 것이다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, VRAW 시스템은 서포트 벡터 머신을 포함한다. 서포트 벡터 머신(SVM)은 분류 및 회귀(classification and regression)를 위해 사용되는 한 세트의 관련된 감독 학습 방법이다. 두 카테고리 중 하나에 속하는 것으로 각각 마킹된 한 세트의 훈련 예가 주어지면, SVM 훈련 알고리즘은, 새로운 예가 하나의 카테고리에 속하는지 또는 다른 카테고리에 속하는지의 여부를 예측하는 모델을 구축한다(예를 들면, 특정 결함 및 불연속부에 대한 합격/불합격 카테고리). 직관적으로, SVM 모델은, 별개의 카테고리의 예가 가능한 한 넓은 클리어 갭에 의해 나누어지도록 매핑되는, 공간 내 포인트로서의 예의 표현이다. 그 다음, 새로운 예는 동일한 공간으로 매핑되고, 새로운 예가 갭의 어느 쪽에 있는지에 기초하여 새로운 예는 한 카테고리에 속한다고 예측된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, VRAW 시스템은 새로운 시나리오에 대해 훈련되고 적응될 수 있는 뉴럴 네트워크를 포함한다. 뉴럴 네트워크는 인공 뉴런을 연결하는 것으로 구성된다(생물학적 뉴런의 속성을 흉내내는 프로그래밍 구축). 뉴럴 네트워크는 생물학적 뉴럴 네트워크의 이해를 얻기 위해, 또는 실제 생물학적 시스템의 모델을 반드시 생성할 필요 없이 인공 지능 문제를 해결하기 위해 사용될 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 가상 용접물 데이터로부터의 결함 및 불연속부 데이터를 입력하고 합격/불합격 데이터를 출력하는 뉴럴 네트워크가 고안된다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, 지능형 에이전트는 실습생이 더 많은 연습을 필요로 하는 분야에 관해 실습생에게 피드백을 제공하기 위해, 또는 실습생이 학습하는 것을 향상시키도록 교육 과정(teaching curriculum)을 어떻게 수정할 것인지에 관해 강사 또는 교육자에게 피드백을 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 인공 지능에 있어서, 지능형 에이전트는, 환경을 관측하고 환경에 기초하여 행동하며 목표 달성을 향해 자신의 행동을 지시하는 자율적 엔티티(autonomous entity)이고, 주로 소프트웨어로 구현된다. 지능형 에이전트는 목표(예를 들면, 용접 실습생 또는 용접 교육자에게 관련 피드백을 제공하는 목표)를 달성하기 위해 지식을 학습하고 사용할 수도 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, VRAW 시스템을 사용하여 생성된 용접물의 가상 렌더링이 시스템의 파괴/비파괴 테스팅부에 노출된다. 시스템의 테스팅부는 (파괴 테스팅을 위한) 가상 용접물의 절단부(cut section)를 자동적으로 생성하고 이들 절단부를 VRAW 시스템의 테스팅부 내의 복수의 가능한 테스트 중 하나로 제공할 수도 있다. 복수의 테스트의 각각은 그 특정 테스트를 설명하는 애니메이션을 생성할 수 있다. VRAW 시스템은 테스트의 애니메이션을 유저에게 디스플레이할 수 있다. 애니메이션은, 유저에 의해 생성된 가상 용접물이 테스트에서 합격할지 또는 그렇지 않을지의 여부를 유저에게 명확하게 나타낸다. 비파괴 테스팅의 경우, 용접물은 X 레이 또는 초음파에 (가상 방식으로) 노출되고 내부 유공성, 슬래그 포획, 및 용입 부족과 같은 결함이 유저에게 시각적으로 제공된다.
예를 들면, 가상 굽힘 테스트를 받은 가상 용접물은, 가상 용접물의 용접 조인트에서 특정 타입의 결함이 발생한 위치에서 파단되도록 애니메이션에서 보일 수도 있다. 다른 예로서, 가상 굽힘 테스트를 받은 가상 용접물은, 용접물이 완전히 파단되지는 않지만, 애니메이션에서 휘어져서 금이 가도록 또는 상당한 양의 결함을 나타내도록 보일 수도 있다. 동일한 가상 용접물은 가상 용접물의 동일한 절단부(예를 들면, 절단부는 VRAW 시스템에 의해 재구성되거나 또는 다시 렌더링될 수도 있다) 또는 상이한 절단부를 사용하여 상이한 테스트에 대해 반복적으로 다시 사용될 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 가상 용접물은, 예를 들면, 금속의 타입 및 특정하게 선택된 파괴/비파괴 테스트에 반영되는 인장 강도와 같은 야금 특성으로 꼬리표가 붙게 된다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, 알루미늄 및 스테일리스와 같은 용접 금속을 포함하는 다양한 공통 베이스 용접 금속이 시뮬레이팅된다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 백그라운드에서 실행하는 전문가 시스템이 VRAW 시스템의 디스플레이 상에서 윈도우로 팝업되어 왜 용접물이 테스트에서 불합격했는지를(예를 들면, 용접 조인트의 이들 특정 포인트에서의 과도한 유공성) 그리고 어떤 특정한 용접 표준이 충족되지 않았는지를 (예를 들면, 텍스트 메시지를 통해 및/또는 그래픽적으로) 유저에게 나타낼 수도 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, VRAW 시스템은 현재의 테스트를 특정한 용접 표준에 결부시키는 외부 툴로 하이퍼텍스트로 링크될 수도 있다. 또한, 유저는 그들의 훈련을 지원하기 위해 텍스트, 픽쳐, 비디오 및 다이어그램을 포함하는 지식 베이스에 액세스할 수도 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 특정한 파괴/비파괴 테스트의 애니메이션은, 테스트 동안 유저가 렌더링된 가상 용접물을 VRAW 시스템의 디스플레이 상에서 3차원 방식으로 이리저리 움직여 다양한 각도 및 관점(perspective)으로부터 테스트를 관찰할 수 있도록 하는, 테스트에 의해 수정될 때의 가상 용접물의 3D 렌더링이다. 특정 테스트의 동일한 3D로 렌더링된 애니메이션은, 동일한 유저에 대한 또는 다수의 유저에 대한 최대 훈련 이점을 허용하기 위해 반복적으로 재생될 수도 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 테스트 중에 있는 가상 용접물의 렌더링된 가상 용접물 및/또는 대응하는 3D로 렌더링된 애니메이션은 시스템의 검사부로 전달되어 용접의 검사를 수행하고/하거나 (예를 들면, 인가된 용접 검사원이 되기 위한) 용접 검사 분야의 유저를 훈련시킬 수도 있다. 시스템의 검사부는 교수 모드(teaching mode) 및 훈련 모드를 포함한다.
교수 모드에서, 가상 용접물 및/또는 테스트 중에 있는 가상 용접물의 3D로 렌더링된 애니메이션은 디스플레이되어 용접 실습생과 함께 채점자(grader)(트레이너)에 의해 관찰된다. 트레이너 및 용접 실습생은 가상 용접물을 관찰하고 상호작용할 수 있다. 트레이너는 가상 용접물에서 결함 및 불연속부를 식별함에 있어서 용접 실습생이 얼마나 잘 수행했는지를 (예를 들면, 채점하는 방법을 통해) 결정할 수 있고, 디스플레이된 가상 용접물과 상호작용하는 것(상이한 관점에서 관찰하는 것 등등)에 의해 용접 실습생이 얼마나 잘 수행했는지 그리고 실습생이 놓친 것을 용접 실습생에게 나타낼 수 있다.
훈련 모드에서, 시스템은 가상 용접물에 관해 다양한 질문을 용접 검사원 실습생에게 물어보고 용접 검사원 실습생이 그 질문에 대한 응답을 입력하는 것을 허용한다. 시스템은 질문의 최후에 용접 검사원 실습생에게 평가(grade)를 제공할 수도 있다. 예를 들면, 시스템은 최초에는 용접 검사원 실습생에게 하나의 가상 용접물에 대한 샘플 질문을 제공하고, 그 다음, 테스팅 모드 동안 평가될 다른 가상 용접물에 대한 시간을 요하는 질문을 용접 검사원 실습생에게 제공하는 것으로 진행할 수도 있다.
시스템의 검사부는, 용접 검사원 실습생 또는 트레이너가 가상의 용접 상에서 결함을 검출하고 미리 정의된 용접 표준에 비교되는 소정의 측정치를 작성하는 것을 보조하는 소정의 상호작용식 툴(예를 들면, 루트 용접의 관입을 측정하고 그 측정치를 필수 표준 관입과 비교하는 가상 게이지)을 또한 제공할 수도 있다. 용접 검사원 실습생의 평가는, 용접 검사원 실습생이 용접을 평가하기 위해 정확한 상호작용식 툴을 사용하는지 또는 그렇지 않은지의 여부를 또한 포함할 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 시스템의 검사부는, 평가(즉, 채점)에 기초하여, 용접 검사원 실습생이 어떤 분야에서 도움을 필요로 하는지를 결정하고 용접 검사원 실습생에게 검사를 연습할 더 많은 대표적인 샘플을 제공한다.
본원에서 이전에 논의된 바와 같이, 지능형 에이전트는 실습생이 더 많은 연습을 필요로 하는 분야에 관해 실습생에게 피드백을 제공하기 위해, 또는 실습생이 학습하는 것을 향상시키도록 교육 과정을 어떻게 수정할 것인지에 관해 강사 또는 교육자에게 피드백을 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 인공 지능에 있어서, 지능형 에이전트는, 환경을 관측하고 환경에 기초하여 행동하며 목표 달성을 향해 자신의 행동을 지시하는 자율적 엔티티(autonomous entity)이고, 주로 소프트웨어로 구현된다. 지능형 에이전트는 목표(예를 들면, 용접 실습생 또는 용접 교육자에게 관련 피드백을 제공하는 목표)를 달성하기 위해 지식을 학습하고 사용할 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 지능형 에이전트에 의해 감지되고 지능형 에이전트의 작용의 기초가 되는 환경은, 예를 들면, VRAW 시스템에 의해 생성된 가상 현실 환경이다.
다시, 다양한 상호작용식 검사 툴은, 테스팅을 받기 이전의 가상 용접물, 테스팅을 받은 이후의 가상 용접물, 또는 둘 다의 가상 용접물 중 어느 하나에 대해 사용될 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 다양한 상호작용식 검사 툴 및 방법론은 다양한 용접 프로세스, 금속의 타입, 및 용접 표준의 타입에 대해 구성된다. 독립형 VWI 시스템 상에서, 상호작용식 검사 툴은, 예를 들면, 키보드 및 마우스를 사용하여 조작될 수도 있다. VRAW 시스템 상에서, 상호작용식 검사 툴은, 예를 들면, 조이스틱 및/또는 콘솔 패널을 통해 조작될 수도 있다.
본원에서 앞서 논의된 바와 같이, 독립형 가상 용접물 검사(VWI) 시스템은 미리 정의된 가상 용접물 또는 VRAW 시스템을 사용하여 생성된 가상 용접물을 입력할 수 있고, 가상 용접물의 가상 검사를 수행할 수 있다. 그러나, VRAW 시스템과는 달리, VWI 시스템은, 본 발명의 소정의 실시형태에 따르면, 시뮬레이팅된 가상 용접 프로세스의 일부로서 가상 용접물을 생성할 수 없을 수도 있고, 또한 그 용접물의 가상의 파괴/비파괴 테스팅을 수행할 수 있을 수도 있거나 또는 없을 수도 있다.
도 20은 가상 용접물의 검사를 시뮬레이팅할 수 있고 또한 용접물과 관련된 다양한 특성으로 인한 영향을 관측하기 위해 검사 중에 있는 가상 용접물의 애니메이션을 디스플레이할 수 있는 독립형 가상 용접물 검사(VWI) 시스템(2000)의 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 일 실시형태에서, VWI 시스템(2000)은, 도 1의 PPS(110)와 유사하게, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(PPS)(2010)을 포함한다. VWI 시스템(2000)은, PPS(2010)에 동작적으로 연결된, 도 1의 ODD(150)와 유사한, 관측자 디스플레이 디바이스(ODD)(2050)를 더 포함한다. VWI 시스템(2000)은 PPS(2010)에 동작적으로 연결된 키보드(2020) 및 마우스(2030)을 또한 포함한다.
도 20의 시스템(2000)의 제1 실시형태에서, PPS(110)는 가상 용접물의 3D의 애니메이션화된 렌더링을 제공하기 위해 렌더링 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 제공한다. PPS(110)는 가상 용접물의 테스팅 및 검사를 수행하기 위한 분석 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 또한 제공한다. PPS(2010)는 가상 용접물을 나타내는 데이터를 입력하여 입력 데이터에 대해 동작하는 PPS(110)의 렌더링 엔진을 사용하여 검사를 위한 가상 용접물의 애니메이션화된 3D 렌더링을 생성할 수 있다. 가상 용접물 데이터는 "미리 준비된"(즉, 미리 정의된) 가상 용접물(예를 들면, 별도의 컴퓨터 시스템을 사용하여 생성됨) 또는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 본원에서 앞서 설명한 바와 같은 VRAW 시스템)을 사용하여 생성된 가상 용접물 데이터일 수도 있다.
또한, 본 발명의 향상된 실시형태에 따르면, VRAW 시스템의 능력과 유사하게, PPS(2010)는, VWI 시스템(2000)이 입력된 가상의 용접물에 대해 가상의 파괴/비파괴 테스트를 수행하고 테스트의 애니메이션을 디스플레이하는 것을 허용하는 향상된 분석/렌더링/애니메이션 능력을 포함한다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, VRAW 시스템을 사용하여 생성된 용접물의 가상 렌더링은 VWI 시스템으로 전달된다. VWI 시스템의 테스팅부는 가상 용접물의 절단부를 자동적으로 생성하고 이들 절단부(또는 절단되지 않은 가상 용접물 그 자체)를 VWI 시스템의 테스팅부 내의 복수의 가능한 파괴 및 비파괴 테스트 중 하나로 제공할 수 있다. 복수의 테스트의 각각은 그 특정 테스트를 설명하는 애니메이션을 생성할 수 있다. VWI 시스템은 테스트의 애니메이션을 유저에게 디스플레이할 수 있다. 애니메이션은, 유저에 의해 생성된 가상 용접물이 테스트에서 합격할지 또는 그렇지 않을지의 여부를 유저에게 명확하게 나타낸다.
예를 들면, 가상 굽힘 테스트를 받은 가상 용접물은, 가상 용접물의 용접 조인트에서 특정 타입의 결함이 발생한 위치에서 파단되도록 애니메이션에서 보일 수도 있다. 다른 예로서, 가상 굽힘 테스트를 받은 가상 용접물은, 용접물이 완전히 파단되지는 않지만, 애니메이션에서 휘어져서 금이 가도록 또는 상당한 양의 결함을 나타내도록 보일 수도 있다. 동일한 가상 용접물은 가상 용접물의 동일한 절단부(예를 들면, 절단부는 VRAW 시스템에 의해 재구성되거나 또는 다시 렌더링될 수도 있다) 또는 상이한 절단부를 사용하여 상이한 테스트에 대해 반복적으로 다시 사용될 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 가상 용접물은, 예를 들면, 금속의 타입 및 특정하게 선택된 파괴/비파괴 테스트에 반영되는 인장 강도와 같은 야금 특성으로 꼬리표가 붙게 된다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 백그라운드에서 실행하는 전문가 시스템이 VWI 시스템의 디스플레이 상에서 윈도우로 팝업되어 왜 용접물이 테스트에서 불합격했는지를(예를 들면, 용접 조인트의 이들 특정 포인트에서의 과도한 유공성) 그리고 어떤 특정한 용접 표준이 충족되지 않았는지를 (예를 들면, 텍스트 메시지를 통해 및/또는 그래픽적으로) 유저에게 나타낼 수도 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, VWI 시스템은 현재의 테스트를 특정한 용접 표준에 결부시키는 외부 툴로 하이퍼텍스트로 링크될 수도 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 특정한 파괴/비파괴 테스트의 애니메이션은, 테스트 동안 유저가 렌더링된 가상 용접물을 VWI 시스템의 디스플레이 상에서 3차원 방식으로 이리저리 움직여 다양한 각도 및 관점으로부터 테스트를 관찰할 수 있도록 하는, 테스트에 의해 수정될 때의 가상 용접물의 3D 렌더링이다. 특정 테스트의 동일한 3D로 렌더링된 애니메이션은, 동일한 유저에 대한 또는 다수의 유저에 대한 최대 훈련 이점을 허용하기 위해 반복적으로 재생될 수도 있다.
도 20의 VWI 시스템(2000)의 더 간단하고, 덜 복잡한 실시형태에서, PPS(2010)는 VRAW 시스템에 의해 생성된 가상의 파괴 또는 비파괴 테스트의 애니메이션화된 3D 렌더링을 입력하고, 검사 목적의 애니메이션을 디스플레이한다. PPS(2010)는 가상 용접물의 검사를 수행하기 위한 분석 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 또한 제공한다. 그러나, 이 더 간단한 실시형태에서, PPS(2010)는 가상 용접물의 3D의 애니메이션화된 렌더링을 제공하기 위한 렌더링 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 제공하지 않고, 분석 엔진은 가상 용접물의 검사를 지원하는 것에만 제한된다. 이러한 실시형태에서는, 렌더링 및 테스팅은 그 밖의 곳에서(예를 들면, VRAW 시스템 상에서) 행해져서 VWI 시스템에 입력된다. 이러한 더 간단한 실시형태에서, PPS(2010)는, 가상 검사를 수행하고 용접 검사와 관련하여 훈련하기 위한 소프트웨어로 프로그래밍된 독립형의 표준 방식의(off-the-shelf) 퍼스널 컴퓨터 또는 워크 스테이션일 수도 있다.
본원에서 앞서 논의된 바와 같이, 가상 검사는 다수의 상이한 방식 중 임의의 방식 및/또는 그 조합으로 VWI 시스템 상에서 구현될 수도 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, VWI 시스템은 전문가 시스템을 포함하고 한 세트의 규칙에 의해 구동된다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, VWI 시스템은 서포트 벡터 머신을 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, VWI 시스템은, 새로운 시나리오에 대해 훈련되고 적응될 수 있는 뉴럴 네트워크, 및/또는 실습생이 더 많은 연습을 필요로 하는 분야에 관해 실습생에게 피드백을 제공하는, 또는 실습생이 학습하는 것을 향상시키도록 교육 과정을 어떻게 수정할 것인지에 관해 강사 또는 교육자에게 피드백을 제공하는 지능형 에이전트를 포함한다. 또한, 유저는 그들의 훈련을 지원하기 위해 텍스트, 픽쳐, 비디오 및 다이어그램을 포함하는 지식 베이스에 액세스할 수도 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 테스트 중에 있는 가상 용접물의 렌더링된 가상 용접물 및/또는 대응하는 3D로 렌더링된 애니메이션은 VWI 시스템으로 입력되어 용접의 검사를 수행하고/하거나 (예를 들면, 인가된 용접 검사원이 되기 위한) 용접 검사 분야의 유저를 훈련시킬 수도 있다. 시스템의 검사부는 교수 모드(teaching mode) 및 훈련 모드를 포함한다.
교수 모드에서, 가상 용접물 및/또는 테스트 중에 있는 가상 용접물의 3D로 렌더링된 애니메이션은 디스플레이되어 용접 실습생과 함께 채점자(트레이너)에 의해 관찰된다. 트레이너 및 용접 실습생은 가상 용접물을 관찰하고 상호작용할 수 있다. 트레이너는 가상 용접물에서 결함 및 불연속부를 식별함에 있어서 용접 실습생이 얼마나 잘 수행했는지를 (예를 들면, 채점하는 방법을 통해) 결정할 수 있고, 디스플레이된 가상 용접물과 상호작용하는 것(상이한 관점에서 관찰하는 것 등등)에 의해 용접 실습생이 얼마나 잘 수행했는지 그리고 실습생이 놓친 것을 용접 실습생에게 나타낼 수 있다.
훈련 모드에서, 시스템은 가상 용접물에 관해 다양한 질문을 용접 검사원 실습생에게 물어보고 용접 검사원 실습생이 그 질문에 대한 응답을 입력하는 것을 허용한다. 시스템은 질문의 최후에 용접 검사원 실습생에게 평가(grade)를 제공할 수도 있다. 예를 들면, 시스템은 최초에는 용접 검사원 실습생에게 하나의 가상 용접물에 대한 샘플 질문을 제공하고, 그 다음, 평가될 다른 가상 용접물에 대한 시간을 요하는 질문을 용접 검사원 실습생에게 제공하는 것으로 진행할 수도 있다.
시스템의 검사부는, 용접 검사원 실습생 또는 트레이너가 가상의 용접 상에서 결함을 검출하고 미리 정의된 용접 표준과 비교되는 소정의 측정치를 작성하는 것을 보조하는 소정의 상호작용식 툴(예를 들면, 루트 용접의 관입을 측정하고 그 측정치를 필수 표준 관입과 비교하는 가상 게이지)을 또한 제공할 수도 있다. 용접 검사원 실습생의 평가는, 용접 검사원 실습생이 용접을 평가하기 위해 정확한 상호작용식 툴을 사용하는지 또는 그렇지 않은지의 여부를 또한 포함할 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 시스템의 검사부는, 평가(즉, 채점)에 기초하여, 용접 검사원 실습생이 어떤 분야에서 도움을 필요로 하는지를 결정하고 용접 검사원 실습생에게 검사를 연습할 더 많은 대표적인 샘플을 제공한다.
다시, 다양한 상호작용식 검사 툴은, 테스팅을 받기 이전의 가상 용접물, 테스팅을 받은 이후의 가상 용접물, 또는 둘 다의 가상 용접물 중 어느 하나에 대해 사용될 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 다양한 상호작용식 검사 툴 및 방법론은 다양한 용접 프로세스, 금속의 타입, 및 용접 표준의 타입에 대해 구성된다. 독립형 VWI 시스템(2000) 상에서, 상호작용식 검사 툴은, 예를 들면, 키보드(2020) 및 마우스(2030)를 사용하여 조작될 수도 있다. 상호작용식 검사 툴의 다른 예는, 목부(throat) 측정을 수행하기 위한 가상의 팔므그렌(Palmgren) 게이지, 다리 사이즈를 결정하기 위한 가상의 필렛 게이지, 가상의 볼록부 측정 또는 언더컷의 측정을 수행하기 위한 가상의 VWAC 게이지, 크랙의 길이를 측정하기 위한 가상의 슬라이딩 캘리퍼, 크랙의 폭을 측정하기 위한 가상의 마이크로미터, 및 검사를 위한 용접의 부분을 확대하기 위한 가상의 확대 렌즈를 포함한다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, 다른 가상의 상호작용식 검사 툴도 또한 가능하다.
도 21은 가상 현실 공간에서 렌더링된 베이스라인 가상 용접물의 품질을 평가하기 위한 방법(2100)의 예시적인 실시형태의 플로우차트를 예시한다. 단계 2110에서, 베이스라인 가상 용접물이 렌더링된다(또는 렌더링되고 다시 재 렌더링된다). 예를 들면, 유저는 가상의 부품에 대한 자신의 용접 기술을 연습하고, 유저의 용접 능력을 나타내는 베이스라인 가상 용접물을 렌더링하기 위해 VRAW 시스템(100)을 활용할 수도 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "가상 용접물"은 가상 용접된 부분 전체 또는 많은 용접 테스트에서 사용되는 것과 같은 그 가상의 절단부를 지칭할 수도 있다.
단계 2120에서, 베이스라인 가상 용접물에 대해, 베이스라인 가상 용접물의 특성(들)을 테스트하도록 구성된 컴퓨터 시뮬레이팅된 테스트(예를 들면, 파괴적 가상 테스트 또는 비파괴적 가상 테스트)가 수행된다. 컴퓨터 시뮬레이팅된 테스트는, 예를 들면, VRAW 시스템 또는 VWI 시스템에 의해 수행될 수도 있다. 단계 2130에서, 시뮬레이팅된 테스팅에 응답하여, 테스트된 가상 용접물(예를 들면, 파괴 테스팅에 기인한 베이스라인 가상 용접물의 수정)이 렌더링되고 관련된 테스트 데이터가 생성된다. 단계 2140에서, 테스트된 가상 용접물 및 테스트 데이터에 대해, 컴퓨터 시뮬레이팅된 분석이 수행된다. 컴퓨터 시뮬레이팅된 분석은 가상 용접물의 특성(들)과 관련하여 테스트된 가상 용접물의 합격/불합격 상태를 결정하도록 구성된다. 예를 들면, 테스트 후의 특성(들)의 분석에 기초하여, 가상 용접물이 굽힘 테스트에서 합격했는지 또는 그렇지 않은지에 관해 결정이 이루어질 수도 있다.
단계 2150에서, 테스트된 가상 용접물을 검사하기 위한 또는 검사하지 않기 위한 결정이 유저에 의해 이루어진다. 결정이 검사하지 않는 것이라면, 단계 2160에서, 다른 테스트를 수행하거나 또는 수행하지 않는 것에 관한 결정이 이루어진다. 다른 테스트를 수행하도록 결정이 이루어지면, 방법은 다시 단계 2110으로 되돌아가고, 베이스라인 가상 용접물은, 가상 용접물에 대해 이전 테스트가 이루어지지 않은 것처럼, 재 렌더링된다. 이 방식에서, 많은 테스트(파괴 및 비파괴)는 동일한 베이스라인 가상 용접물에 대해 실행되어 다양한 합격/불합격 상태에 대해 분석된다. 단계 2150에서, 결정이 검사하는 것이면, 단계 2170에서, 테스트된 가상 용접물(즉, 테스팅 이후의 가상 용접물)이 유저에게 디스플레이되고 유저는 테스트된 가상 용접물의 방향을 조작하여 테스트된 가상 용접물의 다양한 특성을 검사할 수도 있다. 단계 2180에서, 유저는 프로그래밍된 검사 툴에 액세스하여 프로그래밍된 검사 툴을 테스트된 가상 용접물에 적용하여 검사를 보조한다. 예를 들면, 유저는 루트 용접의 관입을 측정하는 가상의 게이지에 액세스할 수도 있고 측정치를 필수의 표준 관입에 비교한다. 검사 이후, 다시 단계 2160에서, 다른 테스트를 수행하거나 또는 수행하지 않기 위해 결정이 행해진다. 다른 테스트가 수행되지 않을 것이면, 방법은 종료한다.
예로서, 가상 용접물(2200)의 동일한 절단부에 대해, 도 22 내지 도 24에 각각 도시된 바와 같이, 시뮬레이팅된 굽힘 테스트, 시뮬레이팅된 인장 또는 당김 테스트, 및 시뮬레이팅된 노치 파단 테스트가 수행될 수도 있다. 도 22를 참조하면, 용접 조인트(2210)를 구비하는 가상 용접물(2200)의 직선의 절단부에 대해, 시뮬레이팅된 굽힘 테스트가 수행된다. 굽힘 테스트는, 용접된 구역의 연성, 용접 관입, 융합, (파단면의) 결정 구조, 강도와 같은 다양한 용접 특성을 발견하기 위해 수행될 수도 있다. 굽힘 테스트는 용접 금속의 품질, 용접 접합, 및 열 영향을 받은 구역을 결정하는 것을 돕는다. 굽힘 테스트 동안의 금속의 임의의 크랙 발생은, 불량한 융합, 불량한 관입, 또는 크랙 발생을 야기할 수 있는 몇몇 다른 조건을 나타낸다. 금속의 연신은 용접의 연성을 나타내는 것을 돕는다. 파단면은 용접의 결정 구조를 드러낸다. 더 큰 결정일수록 결함이 있는 용접 절차 또는 용접 이후의 불충분한 열처리를 나타내는 경향이 있다. 양질의 용접은 작은 결정을 갖는다.
도 23을 참조하면, 굽힘 테스트 이후에, 동일한 용접 조인트(2210)를 갖는 가상 용접물(2200)의 동일한 직선의 절단부가 재 렌더링되고 시뮬레이팅된 당김 테스트를 받을 수도 있다. 당김 테스트(또는 인장 테스트)는 용접된 조인트의 강도를 알아내기 위해 수행될 수도 있다. 시뮬레이팅된 테스트에서, 가상 용접물(2200)은 가상 용접물(2200)이 파단될 때까지 일단이 고정되고 타단이 당겨진다. 용접물이 파단된 인장 부하 또는 당김이 결정되고 합격/불합격 결정을 위해 표준 측정치에 비교될 수도 있다.
도 24를 참조하면, 당김 테스트 이후에, 동일한 용접 조인트(2210)를 갖는 가상 용접물(2200)의 동일한 직선의 절단부가 재 렌더링되고 노치 파단 테스트를 받을 수도 있다. 시뮬레이팅된 노치 파단 테스트는, 용접된 맞댐 조인트의 용접 금속이, 예를 들면, 슬래그 포함, 가스 포켓, 불량한 융합, 및 산화된 금속과 같은 임의의 내부적 결함을 갖는지를 결정하기 위해 수행된다. 도 24에 도시된 바와 같이, 용접 조인트(2210)의 양 측 안을 잘라내어 슬롯을 형성한다. 가상 용접물(2200)은 2개의 지지부에 걸쳐 위치되고 슬롯 사이의 용접(2210)의 부위가 부서질 때까지 햄머로 친다. 용접(2210)의 내부 금속이 결함에 대해 검사된다. 결함은 합격/불합격 결정을 위해 표준 측정치에 비교될 수도 있다.
향상된 교육 및 훈련
일 실시형태는 가상 현실 아크 용접 시스템을 제공한다. 시스템은 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결된 공간 추적기, 공간 추적기에 의해 공간적으로 추적되도록 구성된 적어도 하나의 모형 용접 툴, 및 시스템에 정보를 입력하고 선택을 행하는 것 중 하나 이상을 유저가 수행하는 것을 허용하도록 구성된 적어도 하나의 유저 인터페이스를 포함한다. 시스템은 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결되며 외부 통신 인프라에 액세스하도록 구성된 통신 컴포넌트를 더 포함한다. 또한, 가상 현실 용접 시스템은, 유저 요청에 응답하여, 통신 컴포넌트를 사용하여 외부 통신 인프라를 통해 용접 교육 및 이론에 관련된, 인터넷 상의 하나 이상의 사전 식별된 웹 사이트로 유저를 안내하도록 구성된다. 유저 요청은, 유저, 사람인 용접 강사, 또는 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템 상에 구성된 지능형 에이전트 중 하나 이상에 의해 유발될 수도 있다. 시스템은, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결되며 통신 컴포넌트를 사용하여 외부 통신 인프라를 통해 유저와 원격 장소에 있는 용접 강사 사이의 오디오 통신을 용이하게 하도록 구성된 하나 이상의 오디오 트랜듀서 디바이스를 더 포함할 수도 있다. 시스템은, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결되며 통신 컴포넌트를 사용하여 외부 통신 인프라를 통해 유저와 원격 장소에 있는 용접 강사 사이의 시각적 통신을 용이하게 하도록 구성된 하나 이상의 비디오 디바이스를 더 포함할 수도 있다. 가상 현실 용접 시스템은 또한, 통신 컴포넌트를 사용하여 외부 통신 인프라를 통해 원격 장소에 있는 원격 디바이스로부터 커맨드를 수신하도록 구성될 수도 있고, 커맨드는 가상 현실 용접 시스템의 문제를 해결하는 것 또는 가상 현실 용접 시스템의 설정을 변경하는 것 중 하나 이상을 지시하도록 구성된다. 원격 디바이스는, 예를 들면, 핸드헬드 모바일 디바이스, 데스크탑 퍼스널 컴퓨터 디바이스, 또는 원격 유저에 의해 운영되는 서버 컴퓨터 중 하나를 포함할 수도 있다. 외부 통신 인프라는, 예를 들면, 인터넷, 셀룰러 전화 네트워크, 또는 위성 통신 네트워크 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
도 25는 실시간의 가상 현실 환경에서 아크 용접 훈련을 제공하는 시스템(2500)의 시스템 블록도의 제2 예시적인 실시형태를 예시한다. 시스템(2500)은 도 1의 시스템(100)과 유사하다. 그러나, 도 25의 시스템(2500)은, 통신 컴포넌트(communication component; CC)(2510), 오디오 트랜듀서(2520(예를 들면, 스피커) 및 2530(예를 들면, 마이크)), 비디오 디바이스(2540), 및 지능형 에이전트(2550)를 포함하는 추가 엘리먼트를 예시한다.
CC(2510)는, 외부 통신 인프라(예를 들면, 인터넷)에 대한 액세스 및 연결을 제공하는, 예를 들면, 케이블 모뎀, 무선 라우터, 또는 3G 또는 4G 셀룰러 통신 모듈 중 하나 이상일 수도 있다. 한 실시형태에 따르면, CC(2510)는 인터넷 상의 웹 사이트에 액세스하는 것을 용이하게 하는 것을 돕기 위해 웹 브라우저를 또한 제공한다. 도 26은, 도 25의 가상 현실 아크 용접 시스템(2500)이 외부 통신 인프라(2600)를 통해 원격 디바이스(2610)에 어떻게 인터페이싱할 수도 있는지를 도시하는 시스템 블록도를 예시한다. 원격 디바이스(2610)는 원격 유저에 의해 동작되고, 예를 들면, 무선 모바일 디바이스, 데스크탑 퍼스널 컴퓨터, 또는 서버 컴퓨터일 수도 있다.
가상 현실 용접 시스템의 유저(예를 들면, 용접 실습생)가 시뮬레이팅된 용접 절차를 수행하고 있으면, 유저는 용접 절차를 적절히 수행하는 몇몇 양태에 관해 어려움을 경험할 수도 있거나 또는 혼란스럽게 될 수도 있다. 한 실시형태에 따르면, 유저는, 유저 인터페이스(예를 들면, WUI(130) 또는 ODD(150))를 통해, 용접 교육 및 이론에 관련된 인터넷 상의 복수의 미리 식별된 웹 사이트 중 하나로 안내할 것을 요청할 수도 있다.
시스템(2500)은 CC(2510)를 사용하여 선택된 웹 사이트에 자동적으로 액세스할 수 있고 대응하는 메인 웹 페이지를, 예를 들면, ODD(150) 또는 FMDD(140) 상에서 유저에게 디스플레이할 수 있다. 일단 메인 웹 페이지에 있게 되면, 유저는 유저 인터페이스를 통해 웹 사이트와 관련된 다른 웹 페이지를 선택할 수 있다. 한 실시형태에 따르면, 식별된 웹 사이트 및 관련된 웹 페이지는, 용접 실습생이 겪게 되는 공통의 문제점(예를 들면, 용접 툴의 방향, 전극 대 워크피스 거리, 용접 툴 진행 속도 등등)을 다루도록 특별히 설계된다. 이 방식에서, 유저는 현재 시뮬레이팅된 용접 절차와 관련한 자신의 어려움 또는 혼란을 덜어줄 답을 빠르고 쉽게 찾을 수도 있다.
대안으로서, 유저를 관측하는 용접 강사는, 유저가 어떤 특별한 어려움 또는 문제점을 가지고 있는 것을 볼 수도 있고, 결과적으로, 유저가 복수의 미리 식별된 웹 사이트 중 하나로 안내되도록 요청할 수도 있다. 추가적인 대안으로서, 유저가 시뮬레이팅된 용접 절차 중 어떤 것을 제대로 이해하지 못하고 있거나 또는 그 절차 중 어떤 양태를 제대로 수행하지 못하고 있다는 것을 PPS(110) 상에 구성된 지능형 에이전트(IA)(2550)가 자동적으로 검출할 수도 있다. 한 실시형태에 따르면, 지능형 에이전트는, 환경을 관측하여 그에 기초하여 행동하며 목표 달성을 향해 자신의 행동을 지시하는 자율적 엔티티이고, 주로 소프트웨어로 구현된다. 지능형 에이전트는 목표(예를 들면, 용접 실습생 또는 용접 교육자에게 관련 피드백을 제공하는 목표)를 달성하기 위해 지식을 학습하고 사용할 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 지능형 에이전트에 의해 감지되고 지능형 에이전트의 작용의 기초가 되는 환경은, 예를 들면, VRAW 시스템(2500)에 의해 생성된 가상 현실 환경이다.
후속하여, IA(2550)는 시뮬레이팅된 용접 절차를 중단하고, 유저에게 문제점을 통지하고, 유저를 돕기 위한 시도로 복수의 미리 식별된 웹 사이트 중 적절한 웹 사이트로 유저를 자동적으로 안내할 수도 있다. 웹 사이트는 글로 작성된 명령, 그래픽적 명령, 비디오 명령, 또는 인터넷 연결을 통해 수용될 수 있는 임의의 다른 타입의 적절한 명령 포맷을 제공할 수도 있다.
예로서, IA(2550)는, 유저가 모형 용접 툴을 적절한 각도로 유지하고 있지 않다는 것을 검출할 수도 있고, 예를 들면, "당신은 모형 용접 툴을 적절한 각도로 유지하는 데 어려움이 있는 것처럼 보입니다. 이제, 현재의 용접 절차를 위한 용접 툴에 대한 적절한 방향의 비디오를 보여주는 웹 사이트로 당신을 안내하겠습니다."라고 말하는 메시지를 유저에게 디스플레이할 수도 있다. 시스템(2500)은 CC(2510)을 사용하여 IA(2550)의 지휘로 웹 사이트에 대한 액세스를 진행할 수도 있다. 시스템은 심지어 유저에 대한 비디오를 자동적으로 선택하여 재생할 수도 있다. 대안적으로, 유저는 일단 웹 사이트에 있으면 비디오를 선택하여 재생할 수도 있다.
한 실시형태에 따르면, 시스템은 도 25에 예시된 바와 같이 스피커(2520), 마이크(2530), 및 비디오 카메라(2540)를 포함하고, 이들은 가상 현실 아크 용접 시스템(2500)의 유저와 원격 사이트에 있는 용접 강사 사이의 통신을 용이하게 하는 데 사용될 수도 있다. 용접 강사는, 예를 들면, 핸드헬드 모바일 디바이스 또는 데스크탑 퍼스널 컴퓨터를 통해 인터넷에 연결될 수도 있다. 통신은 CC(2510)를 사용하여 외부 통신 인프라(2600)를 통해 실시간적일 수도 있어서, 용접 강사가 용접 실습생(유저)에게, 용접 실습생이 시뮬레이팅된 용접 프로세스를 수행하고 있는 동안, 실시간 지시를 제공하는 것을 허용할 수도 있다.
한 실시형태에 따르면, 마이크(2530)는 유저의 음성으로부터 음파를 수신하고 비디오 카메라(2540)는 유저의 비디오 이미지를 실시간으로 제공한다. PPS(110)는 유저의 음성 및 비디오 이미지를 디지털 데이터로 변환하도록 구성되는데, 그 비디오 데이터는 CC(2510)를 사용하여 외부 통신 인프라(2600)를 통해 용접 강사에게 전송될 수도 있다. 마찬가지로, CC(2510)를 사용하여 외부 통신 인프라(2600)를 통해 용접 강사의 음성을 나타내는 디지털 데이터를 수신한 이후, 그리고 PPS(110)가 그 디지털 데이터를 스피커(2520)를 구동하는 전기 신호로 변환한 이후, 스피커(2520)를 통해 용접 강사의 음성을 들을 수도 있다. 또한, 예를 들면, CC(2510)를 사용하여 외부 통신 인프라(2600)를 통해 비디오 이미지를 나타내는 디지털 데이터를 수신한 이후, 그리고 PPS(110)가 그 디지털 데이터를 ODD(150) 상에 디스플레이되는 전기 신호로 변환한 이후, 용접 강사의 비디오 이미지를 ODD(150) 상에서 관찰될 수도 있다.
한 실시형태에 따르면, 원격 디바이스(2610)의 유저는 외부 통신 인프라(2600)를 통해 원격 디바이스로부터 가상 현실 용접 시스템(2500)으로 커맨드를 전송할 수도 있다. 커맨드는 CC(2510)를 통해 PPS(110)에 의해 수신된다. 원격 디바이스의 유저는, 예를 들면, 가상 현실 용접 시스템(2500)의 원격 문제해결을 용이하게 하기 위해 전송될 수도 있다. 예를 들면, 시스템 기술자는, 가상 현실 용접 시뮬레이터(2500) 상에서 소정의 진단 절차가 실행되도록 명령을 내릴 수도 있다. PPS(110)는 진단 절차의 결과를 다시 원격 디바이스(2610)로 전송할 수도 있다. 또한, 원격 디바이스의 유저는 가상 현실 용접 시뮬레이터(2500)의 설정을 변경하기 위한 커맨드를 전송할 수도 있다. 예를 들면, 원격 장소에서 원격 디바이스를 이용하는 용접 강사는, 외부 통신 인프라(2600)를 통해 설정을 변경하는 것에 의해 가상 현실 용접 시스템 상에서의 용접 실습생에 대한 용접 시나리오를 셋업할 수도 있다. 변경될 수도 있는 다른 설정은, 예를 들면, 테이블(171) 및 암(173)의 위치, 와이어 공급 속도, 전압 레벨, 전류량, 극성, 특정한 시각적 신호의 턴온 및 턴오프를 포함한다.
다른 실시형태는 가상 현실 아크 용접 시스템을 제공한다. 시스템은 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결된 공간 추적기, 공간 추적기에 의해 공간적으로 추적되도록 구성된 적어도 하나의 모형 용접 툴, 및 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결된 적어도 하나의 디스플레이 디바이스를 포함한다. 시스템은, 가상 현실 환경에서, 유저에 의한 적어도 하나의 모형 용접 툴의 조작(manipulation)에 응답하는 그리고 실시간 용융 금속 유동성(fluidity) 및 열 소산 특성(heat dissipation characteristic)을 갖는 용접 퍼들을 시뮬레이팅하도록, 그리고 시뮬레이팅된 용접 퍼들을 적어도 하나의 디스플레이 디바이스에 실시간으로 디스플레이하도록 구성된다. 시스템은 또한, 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 적어도 하나의 특성이 적어도 하나의 특성의 이상적인 양으로부터 미리 결정된 양보다 많이 벗어나면, 시뮬레이팅된 용접 퍼들 상에 이상적인 용접 퍼들의 이미지를 오버레이하여 디스플레이하도록 구성된다. 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 적어도 하나의 특성은, 형상, 컬러, 슬래그, 사이즈, 점성, 열 소산, 퍼들 웨이크, 및 다임 간격 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 다양한 실시형태에 따르면, 이상적인 용접 퍼들의 이미지는 부분적으로 투명한 고스트 이미지(ghosted image)이거나 또는 불투명 이미지일 수도 있다. 시스템은 또한, 시뮬레이팅된 용접 프로세스의 적어도 제1 부분 동안, 이상적인 용접 퍼들의 부분적으로 투명한 고스트 이미지를 시뮬레이팅된 용접 퍼들 위에 오버레이하여 디스플레이하도록 구성될 수도 있다.
도 27은 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)을 나타내는, 가상 용접 프로세스 동안 시스템(100)을 사용하여 생성되는, 디스플레이된 가상 용접(2700)의 예시적인 실시형태를 예시한다. 한 실시형태에 따르면, 시뮬레이팅된 용접 퍼들은, 예를 들면, 형상, 컬러, 슬래그, 사이즈, 유동성/점성, 열 소산, 퍼들 웨이크 및 다임 간격과 같은 다양한 특성을 가질 수도 있다. 특정한 용접 프로세스의 경우, 이들 특성은, 이상적으로는, 이상적인 용접 퍼들에 대한 특정하게 정의된 범위 또는 값을 준수한다.
예로서, 도 27에서, 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)의 소정의 특성은, 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)의 형상이 너무 폭이 넓고 디스플레이된 열 소산 특성이 부적절하다는 점에서, 가상 용접 프로세스에 대한 이상적인 용접 퍼들로부터 벗어난다. 이러한 편차는, 예를 들면, 모형 용접 툴의 부족한 유저 기술에 기인할 수도 있다. 따라서, 한 실시형태에 따르면, 유저가 자신의 기술을 수정하여 결과적으로 나타나는 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)을 이상적인 용접 퍼들에 더 정확하게 매치시키도록 안내하고 북돋우기 위해, 시뮬레이팅된 용접 프로세스 동안 이상적인 용접 퍼들의 이미지가 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)에 실시간으로 오버레이되어 디스플레이될 수도 있다.
한 실시형태에 따르면, 가상 현실 아크 용접 시스템의 PPS(110)는 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 특성과 관련된 값을 계속 추적하고 그 값을 특정 용접 프로세스에 대한 이상적인 값의 세트와 비교한다. 가상 현실 용접 시스템은, 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 적어도 하나의 특성이 적어도 하나의 특성의 이상적인 값으로부터 미리 결정된 양보다 더 많이 벗어나면, 시뮬레이팅된 용접 퍼들 상에 이상적인 용접 퍼들의 이미지를 오버레이하여 디스플레이하도록 구성된다.
도 28은, 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)의 이미지 상에 이상적인 용접 퍼들(2810)의 이미지를 오버레이한, 도 27의 디스플레이된 가상 용접(2700)을 예시한다. 도 28에서, 이상적인 용접 퍼들(2810)의 폭은 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)의 폭보다 더 좁게 보이고, 이상적인 용접 퍼들(2810)에 걸친 그레이의 변화하는 음영에 의해 예시된 바와 같은, 이상적인 용접 퍼들(2810)의 디스플레이된 열 기울기는 가상 용접 프로세스에 대한 적절한 열 소산을 나타낸다. 디스플레이된 이상적인 용접 퍼들(2810)은, 한 실시형태에 따르면, 이상적인 용접 퍼들(2810)을 통해 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)을 유저가 여전히 볼 수 있도록 부분적으로 투명할 수도 있어서, 유저가 자신의 용접 기술을 수정할 때 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)의 특성이 이상적인 용접 퍼들(2810)의 특성에 얼마나 근접하는지를 유저가 보는 것을 허용할 수도 있다.
대안적으로, 디스플레이된 이상적인 용접 퍼들(2810)은, 대안적인 실시형태에 따르면, 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)의 적어도 일부를 덮도록 불투명할 수도 있다. 이러한 대안적인 실시형태에서, 이상적인 용접 퍼들(2810)은 간헐적으로 디스플레이되어, 유저가 전체 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)을 간헐적으로 관찰하는 것을 허용하여 유저가 자신의 용접 기술을 수정할 때 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710)의 특성이 이상적인 용접 퍼들(2810)의 특성에 얼마나 근접하고 있는지를 결정하게 할 수도 있다.
한 실시형태에 따르면, 이상적인 용접 퍼들(2810)의 이미지는, 부분적으로 투명하든 또는 불투명하든지 간에, 시뮬레이팅된 용접 퍼들(2710) 상에 오버레이된 비디오를 실제로 실시간으로 움직여, 이상적인 용융 금속 유동성 및 점성 특성을 나타낼 수도 있다. 따라서, 이상적인 용접 퍼들과 관련하여 본원에서 설명된 바와 같이, 용어 "이미지"는 단일의 정적 이미지 또는 동적 비디오를 지칭할 수도 있다.
추가 실시형태는 가상 현실 아크 용접 시스템을 제공한다. 시스템은 코딩된 명령을 실행하도록 동작가능한 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템을 포함한다. 코딩된 명령은 가상 현실 용접 시스템 상에 유저에 의해 생성된 가상 용접물(weldment)의 3차원(three-dimensional; 3D) 렌더링을 생성하도록 구성된 렌더링 엔진을 포함한다. 코딩된 명령은, 3D 가상 용접물의 시뮬레이팅된 테스팅을 수행하도록 그리고 대응하는 테스트 데이터를 생성하도록 구성된 분석 엔진을 더 포함한다. 코딩된 명령은, 적어도 테스트 데이터에 기초하여, 유저에 대한 권장 시정 조치(recommended corrective action)를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 지능형 에이전트(intelligent agent; IA)를 또한 포함한다. 권장 시정 조치는, 변경되어야 할 유저의 용접 기술, 유저에 의해 고찰되어야 할 가상 현실 용접 시스템 상에 저장된 훈련 자료, 유저에 의해 완료되어야 할 커스터마이징된 훈련 프로젝트, 및 유저에 의해 변경되어야 할 가상 현실 용접 시스템의 셋업 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
한 실시형태에 따르면, 지능형 에이전트는, 환경을 관측하여 그에 기초하여 행동하며 목표 달성을 향해 자신의 행동을 지시하는 자율적 엔티티이고, 주로 소프트웨어(코딩된 명령)로 구현된다. 지능형 에이전트는 목표(예를 들면, 용접 실습생 또는 용접 교육자에게 관련 피드백을 제공하는 목표)를 달성하기 위해 지식을 학습하고 사용할 수도 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 지능형 에이전트에 의해 감지되고 지능형 에이전트의 작용의 기초가 되는 환경은, 예를 들면, VRAW 시스템(2500)에 의해 생성된 가상 현실 환경이다.
예로서, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템의 분석 엔진은, 가상 현실 용접 시스템(2500)을 사용하여 용접 실습생에 의해 생성된 가상 용접물의 3D 렌더링에 대해 시뮬레이팅된 굽힘 테스트를 수행할 수도 있다. 예를 들면, 도 22를 참조하면, 가상의 용접 조인트(2210)를 구비하는 가상 용접물(2200)의 직선의 절단부에 대해, 시뮬레이팅된 굽힘 테스트가 수행된다. 굽힘 테스트는, 용접된 구역의 연성, 용접 관입, 융합, (파단면의) 결정 구조, 강도와 같은 다양한 용접 특성을 발견하기 위해 수행될 수도 있다. 굽힘 테스트는 용접 금속의 품질, 용접 접합, 및 열 영향을 받은 구역을 결정하는 것을 돕는다. 굽힘 테스트 동안의 금속의 임의의 크랙 발생은, 불량한 융합, 불량한 관입, 또는 크랙 발생을 야기할 수 있는 몇몇 다른 조건을 나타낸다. 금속의 연신은 용접의 연성을 나타내는 것을 돕는다. 파단면은 용접의 결정 구조를 드러낸다. 더 큰 결정일수록 결함이 있는 용접 절차 또는 용접 이후의 불충분한 열처리를 나타내는 경향이 있다. 양질의 용접은 작은 결정을 갖는다. 시뮬레이팅된 굽힘 테스트 동안, 테스트 데이터는 분석 엔진에 의해 생성된다.
한 실시형태에 따르면, 지능형 에이전트(2550)는 굽힙 테스트가 불량한 용접 품질의 특정 양태를 드러낼 때 유저에 대해 권장 시정 조치를 생성하도록 구성된다. 지능형 에이전트(2550)는 시뮬레이팅된 굽힘 테스트 동안 생성된 테스트 데이터뿐만 아니라 시정 조치를 생성하기 위한 다른 데이터(예를 들면, 가상 용접물이 생성되는 가상 용접 프로세스 동안 실시간으로 수집된 데이터, 예를 들면, 예컨대 모형 용접 툴의 방향)도 사용할 수도 있다. 예를 들면, 지능형 에이전트(2550)는, 용접 실습생이 자신의 용접 기술을 향상시키기 위해 연습할 수 있는 용접 실습생의 용접 기술에 대한 변경사항을 생성할 수도 있다. 실습생의 용접 기술에 대한 변경사항은, 예를 들면, 실습생이 모형 용접 툴의 용접 전극의 끝을 모형 용접 쿠폰으로부터 유지하는 거리 및 실습생이 모형 용접 쿠폰을 기준으로 모형 용접 툴을 유지하는 각도를 포함할 수도 있다. 다른 용접 기술 변경사항이 또한 추천될 수도 있다.
또한, 또는 대안적으로, 지능형 에이전트(2550)는 가상 현실 아크 용접 시스템(2500) 상에 저장되는 특정한 훈련 자료로 용접 실습생을 안내할 수도 있다. 훈련 자료는, 예를 들면, 용접 프로세스의 특정 양태를 다루는 슬라이드 쇼 프리젠테이션 및 비디오를 포함할 수도 있다. 다양한 실시형태에 따르면, 다른 타입의 훈련 자료도 또한 가능하다. 또한, 지능형 에이전트(2550)는 용접 실습생에 의해 완료되어야 할 커스터마이징된 훈련 프로젝트를 생성할 수도 있다. 예를 들면, 지능형 에이전트는, 실습생이 용접 관입의 적절한 양을 달성하는 데 어려움을 가지고 있다고 결정할 수도 있다. 결과적으로, 지능형 에이전트는, 하나 이상의 타입의 용접 쿠폰 및 시뮬레이팅된 용접 프로세스에 대한 적절한 용접 관입을 달성하도록 가상 현실 용접 시스템 상에서 특정 용접 기술을 실습생에게 연습하게 하는 훈련 프로젝트를 생성할 수도 있다.
최종적으로, 지능형 에이전트는, 가상 용접물의 품질을 향상시키기 위해 가상 현실 용접 시스템에 용접 실습생이 적용시켜야 하는 변경된 셋업을 생성할 수도 있다. 변경된 셋업은, 예를 들면, 모형 용접 쿠폰의 포지션, 테이블/스탠드(T/S)의 포지션, 가상 현실 용접 시스템의 전류량 설정, 가상 현실 용접 시스템의 전압 설정, 또는 가상 현실 용접 시스템의 와이어 공급 속도 설정을 변경시키도록 용접 실습생에게 지시할 수도 있다. 다른 다양한 실시형태에 따르면, 다른 셋업 양태도 또한 변경될 수도 있다.
한 실시형태에 따르면, 지능형 에이전트에 의해 생성되는 권장사항은 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이 디바이스 상에서 용접 실습생에게 제공될 수도 있다. 대안적인 실시형태에 따르면, 가상 현실 용접 시스템은 프린터 디바이스와 인터페이싱하도록 구성될 수도 있고 권장사항은 유저를 위해 인쇄될 수도 있다. 또한, 가상 현실 용접 시스템은 용접 실습생의 훈련 중에 용접 실습생을 보조하기 위해 용접 심볼을 갖는 다양한 용접 절차 명세(specification) 및 청사진(blueprint)을 저장하여 디스플레이할 수도 있다.
한 실시형태에 따르면, 가상 현실 용접 시스템은, 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 용접 실습생이 훈련 프로그램을 통과해 나감에 따라 용접 실습생의 진척도(progress)를 추적하고, 훈련 프로그램에서의 실습생의 자리를 상기시키도록 구성된다. 훈련 프록그램은 복수의 용접 절차 및/또는 훈련 모듈을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 가상 현실 용접 시스템은 가상 현실 용접 시스템에 대해 용접 실습생이 자신을 식별시키는 수단을 제공할 수도 있다. 이러한 식별은, 예를 들면, 유저 배지 또는 식별 카드의 스캐닝(예를 들면, 바코드 스캐닝 또는 자기띠 스캐닝), 실습생의 생체 스캐닝(예를 들면, 홍채 스캐닝), 또는 실습생의 식별 번호의 수동 입력과 같은 다양한 공지의 기술 중 하나를 통해 달성될 수도 있다. 다양한 실시형태에 따르면, 가상 현실 용접 시스템은 식별 기술을 수용하도록 구성된다. 예를 들면, 가상 현실 용접 시스템은 내장된 바코드 스캐너 또는 홍채 스캐너를 구비할 수도 있다.
일단 실습생이 식별되면, 가상 현실 용접 시스템은, 예를 들면, 가상 현실 훈련 시스템의 최종 용접 셋업 및 생성된 최종 가상 용접을 포함하는 용접 실습생이 남겨두고 떠났던 훈련 프로그램의 섹션을 메모리로부터 소환할 수도 있다. 또한, 가상 현실 용접 시스템은, 용접 실습생이 지금까지 완료한 지난 용접 절차 및 훈련 모듈을 저장하도록, 그리고 용접 실습생이 완료된 절차 및 모듈의 이력을 소환하여 디스플레이하는 것을 허용하도록 구성될 수도 있다. 이 방식에서는, 다수의 학생은, 가상 현실 훈련 시스템이 각각의 용접 실습생의 진척도를 개별적으로 추적하여 기억하게 하면서, 상이한 시간에, 동일한 가상 현실 용접 시스템을 사용할 수도 있다.
다른 실시형태는 방법을 제공한다. 방법은 가상 현실 용접 시스템의 하나 이상의 디스플레이 디바이스 상에서 가상 용접 환경을 유저에게 디스플레이하는 것을 포함하는데, 가상 용접 환경은 가상 현실 용접 시스템에 의해 생성되고 가상 용접 환경 내에서의 하나 이상의 위험한 상태(unsafe condition)를 시뮬레이팅한다. 방법은, 가상 현실 용접 시스템의 유저 인터페이스를 통해 유저가 가상 현실 용접 시스템에 대한 하나 이상의 위험한 상태를 정확하게 식별한 후, 유저가 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 가상 용접 작업을 계속 수행하는 것을 허용하는 것을 더 포함한다. 방법은, 유저가 가상 현실 용접 시스템에 대한 하나 이상의 위험한 상태를 정확하게 식별하는 것에 응답하여 가상 용접 환경으로부터 하나 이상의 위험한 상태를 제거하는 것을 더 포함할 수도 있다. 방법은 또한, 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 유저에 의해 수행되는 용접 작업 동안 하나 이상의 신규의 위험한 상태를 가상 용접 환경에 도입하는 것을 포함할 수도 있는데, 하나 이상의 신규의 위험한 상태는 가상 현실 용접 시스템에 의해 자동적으로 도입된다. 방법은, 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 유저에 의해 수행되는 용접 작업 동안 하나 이상의 신규의 위험한 상태를 가상 용접 환경에 도입하는 것을 더 포함할 수도 있는데, 하나 이상의 신규의 위험한 상태는 용접 강사로부터의 커맨드에 응답하여 가상 현실 용접 시스템에 의해 도입된다.
한 실시형태에 따르면, 가상 용접 환경에서의 위험한 상태는, 예를 들면, 퓸 노출 위험성을 제기하는 부적절하게 위치된 배기 후드, 화재 위험성을 제기하는 용접 워크피스 근처의 목재 구조물, 전기적 쇼크 위험성을 제기하는 워크피스에 대한 느슨한 또는 빈약한 용접 케이블 연결부, 미끄러짐의 위험성을 제기하는 워크피스 근처의 물, 폭발 위험성을 제기하는 고정되지 않은 용접 가스 실린더, 및 전기적 쇼크 위험성 및/또는 퓸 노출 위험성을 제기하는 과도하게 한정된 용접 영역을 포함할 수도 있다. 다양한 다른 실시형태에 따르면, 다른 타입의 위험한 상태도 또한 가능하다.
예로서, 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이 디바이스 상에서 가상 용접 환경을 관찰하는 유저는 퓸 노출 위험성을 제기하는 부적절하게 위치된 배기 후드를 관측할 수도 있다. 한 실시형태에 따르면, 유저는 가상 현실 용접 시스템의 유저 인터페이스를 사용하여 디스플레이 디바이스 상의 부적절하게 배치된 배기 후드 위에 커서를 위치시켜 배기 후드를 선택할 수도 있다. 이 방식에서, 유저는 부적절하게 위치된 배기 후드의 가상 현실 용접 시스템에 대한 위험한 상태를 식별한다. 시스템에 대한 위험한 상태를 식별하면, 시스템은 배기 후드를 가상 용접 환경에 적절하게 위치시킬 수도 있다. 부적절하게 위치된 배기 후드가 유일한 위험한 상태였으면, 유저는 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 가상 용접 작업을 수행하는 것으로 진행할 수도 있다. 다양한 다른 실시형태에 따르면, 가상 현실 용접 시스템에 대한 위험한 상태를 식별하는 다른 방식도 또한 가능하다. 또한, 한 실시형태에 따르면, 가상 현실 용접 시스템은, 유저가 유저 인터페이스를 통해 배기 후드를 가상 현실 환경에 적절히 위치시키는 것을 허용하도록 구성될 수도 있다.
유저가 가상 용접 작업을 수행할 때, 시스템은 신규의 위험한 상태를 가상 용접 환경에 가끔 도입할 수도 있다. 대안적으로, 용접 강사는 가상 현실 용접 시스템의 유저 인터페이스를 사용하여 신규의 위험한 상태를 도입하도록 시스템에게 명령을 내릴 수도 있다. 예로서, 유저가 가상 용접 작업을 하고 있을 때, 워크피스에 대한 용접 케이블 연결은 시각적으로 느슨하게 될 수도 있다. 유저가 가상 용접 작업을 중지하여 미리 결정된 기간 내에 시스템에 대한 신규의 위험한 상태를 식별하지 않으면, 시스템은, 유저가 신규의 위험한 상태를 식별하지 못했으며 가상 용접 프로세스를 셧다운할 수도 있다는 표시를 유저에게 제공할 수도 있다. 이 방식에서, 유저(예를 들면, 용접 실습생)는 용접 환경에서 위험한 상태를 인식하는 것을 학습할 수도 있다.
추가 실시형태는 방법을 제공한다. 방법은 용접 프로세스에 대한 복수의 용접 파라미터를 가상 현실 용접 시스템 상에 설정하는 것을 포함하는데, 용접 파라미터 중 적어도 하나는 용접 프로세스에 대해 부적절하게 설정된다. 방법은, 설정된 복수의 용접 파라미터를 갖는 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 유저가 가상 용접 작업을 수행하여 가상 용접물을 생성하는 것을 또한 포함한다. 방법은, 유저가, 가상 현실 용접 시스템의 적어도 하나의 디스플레이 디바이스 상의 가상 용접물을 관측하고 관측에 기초하여 적어도 하나의 부적절하게 설정된 용접 파라미터를 식별하도록 시도하는 것을 더 포함한다. 복수의 용접 파라미터의 설정은 용접 강사에 의해 수행될 수도 있다. 대안적으로, 복수의 용접 파라미터의 설정은 가상 현실 용접 시스템에 의해 자동적으로 수행될 수도 있다. 방법은 또한, 유저가 적어도 하나의 부적절하게 설정된 용접 파라미터를 적절한 설정으로 변경하도록 시도하는 것을 포함할 수도 있다. 가상 현실 용접 시스템 또는 용접 강사 중 하나는, 적어도 하나의 부적절하게 설정된 용접 파라미터를 적절한 설정으로 언제 변경했는지를 유저에게 통지할 수도 있다.
한 실시형태에 따르면, 복수의 용접 파라미터는 와이어 공급 속도, 전압 레벨, 전류량, 및 극성을 포함할 수도 있는데, 이들은 용접용 유저 인터페이스 상에서 각각 설정가능하다. 다른 설정가능한 용접 파라미터도 또한 가능할 수도 있다. 예로서, 와이어 공급 속도는 특정한 용접 프로세스에 대해 너무 빠르게 또는 너무 느리게 부적절하게 설정될 수 있다. 마찬가지로, 전압 레벨 및/또는 전류량은 특정한 용접 프로세스에 대해 너무 높게 또는 너무 낮게 부적절하게 설정될 수 있다. 또한, 극성은 특정한 용접 프로세스에 대해 반대 극성으로 부적절하게 설정될 수 있다. 하나 이상의 용접 파라미터를 부적절하게 설정하는 것은 결함 및 불연속부를 갖는 가상 용접을 생성할 수 있다. 예를 들면, 전류량을 너무 낮게 설정하는 것은, (가상 용접 쿠폰에 의해 나타내어지는 것과 같은) 워크피스 안으로의 용입 부족으로 나타날 수 있다.
따라서, 한 실시형태에 따르면, 임의의 결함 또는 불연속부를 점검하기 위해 결과적인 가상 용접물을 관측할 수도 있다. 유저는 관측을 보조하기 위해, 본원에서 이전에 설명된 바와 같이, 가상 용접물에 대해 심지어 가상의 파괴 또는 비파괴 테스트를 수행하기를 희망할 수도 있다. 가상 용접물의 유저의 관측 및 용접 파라미터와 용접 결함 및 불연속부 사이의 관계의 유저 지식에 기초하여, 유저는 불적절하게 설정되었던 하나 이상의 용접 파라미터를 식별할 수도 있다. 유저는 하나 이상의 부적절하게 설정된 용접 파라미터를 유저가 적절한 설정이라고 믿는 것으로 변경하고, 이전의 결함 또는 불연속부가 없기를 희망하면서, 가상 용접물을 재생성하는 것으로 진행할 수도 있다. 한 실시형태에 따르면, 가상 현실 용접 시스템은 선택된 용접 프로세스에 대해 파라미터가 이제 적절하게 설정된 것을 (예를 들면, 시스템의 디스플레이 디바이스 상에서 메시지를 유저에게 디스플레이하는 것에 의해) 유저에게 통지하도록 구성된다.
본 출원의 청구되는 주제가 소정의 실시형태를 참조로 설명되었지만, 청구되는 주제의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경예가 이루어질 수도 있고 또한 등가예가 대신할 수도 있다는 것이 기술 분야의 숙련된 자에 의해 이해될 것이다. 또한, 청구되는 주제의 범위를 벗어나지 않으면서 청구되는 주제의 교시에 대해 특정 상황 또는 재료를 적응시키도록 많은 수정예가 이루어질 수도 있다. 따라서, 청구되는 주제는 개시된 특정 실시형태에 제한되는 것이 아니며, 청구되는 주제는 첨부의 특허청구범위의 범위 내에 있는 모든 실시형태를 포함할 것이라는 것이 의도된다.
도면 부호
100: 시스템 172: 스탠드 또는 베이스
110: 프로그래밍가능한 프로세서 173: 조정가능한 암
기반 서브시스템(PPS) 174: 수직 포스트
111: 중앙 처리 유닛(CPU) 175: 용접 쿠폰(WC)
115: 그래픽 처리 유닛(GPU) 175': 6인치 직경의 파이프
116: 계산 통합형 디바이스 175": 6인치 직경의 파이프
아키텍처(CUDA) 176: 루트
117: 셰이더 177: 연결부
118: 비디오 출력 180: 용접 쿠폰(WC)
119: 비디오 출력 900: 용접용 헬멧
120: 공간 추적기(ST) 910: 이어버드 스피커
121: 자기 소스 1201: 물리적 인터페이스
122: 센서 1202: 클램프 모델
123: 디스크 1203: 환경 모델
124: 전력원 1204: 사운드 컨텐츠 기능성
125: 케이블 1205: 용접 사운드
126: 프로세서 추적 유닛 1206: 스탠드/테이블 모델
130: 물리적인 용접용 유저 1207: 내부 아키텍처 기능성
인터페이스(WUI)
131: 버튼 세트 1208: 캘리브레이션 기능성
132: 조이스틱 1210: 쿠폰 모델
133: 다이얼 또는 노브 1211: 용접 물리
134: 다이얼 또는 노브 1212: 내부 물리 조정 툴
135: 콘솔 (트위커)
136: 다이얼 또는 노브 1213: 그래픽 유저 인터페이스 기능성
137: 다이얼 또는 노브 1214: 그래프화 기능성
140: 얼굴 장착형 디스플레이 1215: 실습생 리포트 기능성
디바이스(FMDD)
150: 관측자 디스플레이 1216: 렌더러
디바이스(ODD)
151: 다양한 용접 파라미터 1217: 비드 렌더링
152: 용접 불연속부 상태 1218: 3D 텍스쳐
153: 유저 선택부 1219: 시각적 신호 기능성
160: 모형 용접 툴(MWT) 1220: 채점 및 허용 오차 기능성
161: 홀더 1221: 허용 오차 편집기
162: 시뮬레이팅된 스틱 전극 1222: 특수 효과
163: 저항성 팁 1300: 방법
170: 테이블/스탠드(T/S) 1310: 단계
171: 조정가능한 암 1320: 단계
1330: 단계 2130: 단계
1340: 단계 2140: 단계
1350: 단계 2150: 단계
1400: 편평한 용접 쿠폰(WC) 2160: 단계
1410: 편평한 상면 2170: 단계
1420: 웩셀 맵 2180: 단계
1421: 웩셀 2200: 가상 용접물
1600: 용접 쿠폰(WC) 2210: 용접 조인트
1610: 표면 2500: 시스템
1620: 표면 2510: 통신 컴포넌트(CC)
1700: 파이프 용접 쿠폰(WC) 2520: 오디오 트랜듀서
1701: 파이프 조각 2530: 오디오 트랜듀서
1702: 파이프 조각 2540: 비디오 디바이스
1703: 루트 조인트 2550: 지능형 에이전트
1704: 부착 조각 2600: 통신 인프라
1710: 곡면 2610: 원격 디바이스
1910: 음영이 없는 직사각형 바 2700: 가상 용접
1920: 파티클 2710: 용접 퍼들
1930: 파티클 높이 2810: 용접 퍼들
1940: 음영이 있는 직사각형
2000: VWI 시스템 B: 포인트
2010: 프로그래밍가능한 프로세서 E: 포인트
기반 서브시스템(PPS) O: 포인트
2020: 키보드 O': 라인
2030: 마우스 X: 포인트
2050: 관측자 디스플레이 디바이스 X': 라인
(ODD)
2100: 방법 Y: 포인트
2110: 단계 Z: 포인트
2120: 단계

Claims (15)

  1. 가상 현실 용접 환경 내의 하나 이상의 위험한 상태(unsafe condition), 프로그래밍 가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로(operatively) 연결된 공간 추적기(spatial tracker), 상기 공간 추적기에 의해 공간적으로 추적될 수 있는 모형 용접 툴(mock welding tool), 및 상기 프로그래밍 가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결되고 상기 가상 현실 용접 환경의 시뮬레이션을 디스플레이하도록 구성된 디스플레이를 포함하는 상기 가상 현실 용접 환경의 시뮬레이션을 생성하기 위해, 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장된 컴퓨터 실행 가능한 명령어들을 실행하는 상기 프로그래밍 가능한 프로세서 기반 서브시스템을 갖는 가상 현실 용접 시스템을 위한 방법에 있어서,
    상기 디스플레이 상에 상기 가상 현실 용접 환경의 시뮬레이션을 디스플레이하는 단계 - 상기 프로그래밍 가능한 프로세서 기반 서브시스템에 의해 생성된 상기 가상 현실 용접 환경의 시뮬레이션은 상기 하나 이상의 위험한 상태를 포함함 - ;
    상기 가상 현실 용접 시스템의 유저로부터 상기 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결된 유저 인터페이스를 통해, 상기 가상 현실 용접 환경의 시뮬레이션 내의 상기 하나 이상의 위험한 상태를 식별하는 유저 입력을 수신하는 단계; 및
    상기 유저 입력이 상기 시뮬레이션 내의 상기 하나 이상의 위험한 상태를 정확하게 식별할 때, 상기 공간 추적기에 의해 공간적으로 추적된 상기 모형 용접 툴의 조작(manipulation)을 통해 상기 가상 현실 용접 환경의 시뮬레이션 내에서 상기 유저가 가상 용접 작업을 수행하도록 상기 가상 현실 용접 시스템의 동작을 가능하게 하는 단계
    를 포함하는, 가상 현실 용접 시스템을 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유저가 상기 하나 이상의 위험한 상태를 정확하게 식별하는 것에 응답하여, 상기 프로그래밍 가능한 프로세서 기반 서브시스템에 의해 생성된 상기 가상 현실 용접 환경의 시뮬레이션으로부터 상기 하나 이상의 위험한 상태를 제거하는 단계
    를 더 포함하는, 가상 현실 용접 시스템을 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모형 용접 툴을 사용하여 상기 유저에 의해 상기 가상 용접 작업을 수행하는 동안 하나 이상의 신규의 위험 상태를, 상기 프로그래밍 가능한 프로세서 기반 서브시스템에 의해 생성된 상기 가상 현실 용접 환경의 시뮬레이션에 도입하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 신규의 위험 상태는, 상기 가상 현실 용접 환경에 자동적으로 도입되는 것인, 가상 현실 용접 시스템을 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모형 용접 툴을 사용하여 상기 유저에 의해 상기 가상 용접 작업을 수행하는 동안 하나 이상의 신규의 위험 상태를, 상기 프로그래밍 가능한 프로세서 기반 서브시스템에 의해 생성된 상기 가상 현실 용접 환경의 시뮬레이션에 도입하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 신규의 위험 상태는, 용접 강사로부터의 커맨드에 응답하여 상기 가상 현실 용접 환경에 도입되는 것인, 가상 현실 용접 시스템을 위한 방법.
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