KR20150139526A - 실시간 시뮬레이팅된 가상 현실 용접 환경에서의 향상된 유저 경험을 제공하는 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(110), 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(110)에 동작적으로 연결된 공간 추적기(120), 공간 추적기(120)에 의해 공간적으로 추적될 수 있는 적어도 하나의 모형 용접 툴(160), 및 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(110)에 동작적으로 연결된 적어도 하나의 디스플레이 디바이스를 포함하는 실시간 가상 현실 용접 시스템(100, 2000, 2400)이 개시된다. 시스템(100, 2000, 2400)은, 가상 현실 공간에서, 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 갖는 용접 퍼들을 시뮬레이팅할 수 있다. 시스템(100, 2000, 2400)은 또한, 시뮬레이팅된 용접 퍼들을 디스플레이 디바이스 상에 실시간으로 디스플레이할 수 있다.

Description

실시간 시뮬레이팅된 가상 현실 용접 환경에서의 향상된 유저 경험을 제공하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS PROVIDING AN ENHANCED USER EXPERIENCE IN A REAL-TIME SIMULATED VIRTUAL REALITY WELDING ENVIRONMENT}

본 미국 특허 출원은, 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합되며 또한 2008년 8월 21일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/090,794호에 대한 우선권 및 그 이점을 주장하는 2009년 7월 10일자로 출원되어 계류 중인 미국 특허 출원 제12/501,257호에 대한 우선권을 주장하며 그 특허 출원 제12/501,257호의 일부 계속 출원(continuation-in-part; CIP)이다.

발명의 분야

본 발명은 청구항 제1항에 기재된 가상 현실 용접 시스템에 그리고 청구항 제3항, 제8항 및 제14항에 기재된 가상 현실 용접 방법에 관련된다. 소정의 실시형태는 가상 현실 시뮬레이션에 관련된다. 특히, 소정의 실시형태는 실시간 용접 퍼들(puddle) 피드백을 사용하여 시뮬레이팅된 가상 현실 환경 또는 증강 현실 환경에서 아크 용접 훈련을 제공하기 위한 시스템 및 방법에 관련된다.

기술적 배경

아크 용접하는 법을 배우는 것은 전통적으로 교육, 훈련 및 연습의 많은 시간을 필요로 한다. 학습될 수 있는 많은 상이한 타입의 아크 용접 및 아크 용접 프로세스가 존재한다. 전통적으로, 용접은, 실습생(student)이 실제의 용접 시스템을 사용하여 그리고 실제 금속 조각(piece)에 대한 용접 동작을 수행하는 것에 의해 학습된다. 이러한 실 세계 훈련은 부족한 용접 자원을 동결시키고 한정된 용접 재료를 다 써버릴 수 있다. 그러나, 최근 용접 시뮬레이션을 이용한 훈련 아이디어가 점점 인기를 끌고 있다. 몇몇 용접 시뮬레이션은 퍼스널 컴퓨터 및/또는 인터넷을 통한 온라인을 통해 구현된다. 그러나, 현재 알려진 용접 시뮬레이션은 그들의 훈련 초점에 한정되는 경향이 있다. 예를 들면, 몇몇 용접 시뮬레이션은, 용접용 툴을 단지 어떻게 파지하고 위치시키는지를 용접 실습생에게 훈련시키는 "머슬 메모리(muscle memory)"에 대해서만 훈련시키는 것에 초점을 맞춘다. 다른 용접 시뮬레이션은, 실 세계 용접을 크게 대표하는 소망의 피드백을 실습생에게 제공하지 않는 단지 제한된 그리고 가끔은 비현실적인 방식만으로 용접 프로세스의 시각적인 그리고 청각적인 효과를 나타내는 것에 초점을 맞출 뿐이다. 양호한 용접을 행하는 데 필요한 조정을 하도록 실습생을 안내하는 것은 이 실제 피드백이다. 용접은 머슬 메모리에서 의해서가 아닌 아크 및/또는 퍼들을 보는 것에 의해 학습된다.

종래의 전통적인 그리고 제안되어 있는 접근법의 추가 제한사항 및 단점은, 도면을 참조로 본 출원의 나머지 부분에서 설명되는 것과 같은 본 발명의 실시형태와 이러한 접근법을 비교하는 것을 통해, 기술분야의 숙련된 자에게는 명확해질 것이다.

발명의 설명

본원에서 언급된 제한사항 및 단점을 극복하는 것이 목적이다. 이 문제점은 청구항 제1항에 기재된 가상 현실 용접 시스템에 의해 그리고 청구항 제3항, 제8항, 및 제14항에 기재된 가상 현실 용접 방법에 의해 해결된다. 본 발명의 추가 실시형태는 종속항의 주제이다. 용융된 금속 유동성 특성 및 열 흡수 및 열 소산 특성을 갖는 용접 퍼들의 시뮬레이션을 가상 현실 공간에서 제공하는 아크 용접 시뮬레이션이 고안되었다.

본 발명의 한 실시형태에서, 가상 현실 용접 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, 실 세계 용접을 묘사하도록 디스플레이 디바이스 상에 시뮬레이팅된 용접 퍼들을 디스플레이할 수 있다. 바람직한 실시형태에 따르면, 시스템은 모형 용접 케이블(mock welding cable)을 포함한다. 모형 용접 케이블은 적어도 하나의 모형 용접 툴에 부착되고 실제 용접 케이블의 적어도 중량 및 강직도(stiffness)를 시뮬레이팅하도록 구성된다.

일 실시형태는 가상 현실 아크 용접 시스템을 제공한다. 시스템은, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결된 공간 추적기, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템 및 공간 추적기와 무선으로 통신하도록 구성된 적어도 하나의 무선 모형 용접 툴, 및 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템 및 공간 추적기와 무선으로 통신하도록 구성된 적어도 하나의 무선 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스를 포함한다. 시스템은, 가상 현실 환경에서, 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 갖는 용접 퍼들을 시뮬레이팅하도록, 그리고 적어도 하나의 무선 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스 상에 시뮬레이팅된 용접 퍼들을 실시간으로 디스플레이하도록 구성된다.

다른 실시형태는 가상 현실 용접 시스템을 사용하는 방법을 제공한다. 방법은, 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 생성된 가상 용접 비드를 갖는 가상 용접 조인트의 이미지를 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이하는 것을 포함한다. 방법은, 가상 현실 용접 시스템의 유저 인터페이스를 사용하여 가상 용접 조인트의 이미지의 길이 차원을 가로질러 스크롤링하는 것, 및 스크롤링에 응답하여 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이 디바이스 상에 가상 용접 조인트의 이미지의 길이 차원을 따른 연속하는 위치에서의 가상 용접 조인트를 관통하는 단면 영역의 이미지를 디스플레이하는 것을 더 포함한다.

추가 실시형태는 가상 현실 용접 시스템을 사용하는 방법을 제공한다. 방법은 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 가상 용접 비드를 갖는 가상 용접 조인트를 생성하는 것을 포함한다. 가상 용접 조인트는 가상 현실 용접 시스템 내에서 제1 디지털 데이터 세트로서 표현된다. 방법은 가상 현실 용접 시스템 상의 제1 디지털 데이터 세트를 사용하여 가상 용접 조인트의 적어도 일부를 나타내는 3차원(three-dimensional; 3D) 디지털 모델을 생성하는 것을 더 포함하는데, 3D 디지털 모델은 3D 프린팅 시스템과 동작적으로 호환가능하다. 방법은 또한, 3D 디지털 모델을 3D 프린팅 시스템으로 전송하는 것, 및 가상 용접 조인트의 적어도 일부를 나타내는 3D 물리적 모델을 3D 디지털 모델을 사용하여 3D 프린팅 시스템 상에 프린팅하는 것을 포함할 수도 있다.

다른 실시형태는 가상 현실 용접 시스템을 온라인 용접 게임에 결부시키는 방법을 제공한다. 방법은, 유저의 가상 현실 용접 시스템 상에서의 가상 현실 용접 진척도(progress)를 추적하는 것 및 가상 현실 용접 시스템 상에서의 유저의 가상 현실 용접 진척도를 나타내는 유저 통계치의 전자 파일을 생성하는 것을 포함한다. 방법은, 외부 통신 인프라(external communication infrastructure)를 통해, 가상 현실 용접 시스템으로부터 온라인 용접 게임을 제공하는 서버 컴퓨터로 전자 파일을 전송하는 것을 포함한다. 방법은 또한, 온라인 용접 게임이 전자 파일을 판독하는 것 및 전자 파일에서의 유저 통계치에 기초하여 온라인 용접 게임에 관한 유저의 게임용 프로파일(gaming profile)을 업데이트하는 것을 포함한다. 방법의 바람직한 실시형태에 따르면, 유저의 유저 통계치를 복수의 다른 유저에 대해 비교하는 것 및 비교에 기초하여 유저와 복수의 다른 유저의 서로 간의 순위를 정하는 것(ranking)이 포함될 수 있다.

청구되는 발명의 이들 및 다른 특징뿐만 아니라, 청구되는 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 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 나타내는 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 한 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 및 쿠폰 공간의 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 실시간의 가상 현실 환경에서 아크 용접 훈련을 제공하는 시스템의 시스템 블록도의 제2 예시적인 실시형태를 예시한다;
도 21은 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이될 수도 있는 용접 비드 외관을 갖는 가상 용접 조인트의 디스플레이된 이미지를 예시한다;
도 22는 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이될 수도 있는, 용접 비드 외관을 갖는 도 21의 가상 용접 조인트의 디스플레이된 이미지를 예시한다;
도 23은 3D 프린팅 시스템과 동작 통신(operative communication)하는 가상 현실 용접 시스템을 예시한다;
도 24는 가상 현실 용접 시스템의 한 예시적인 실시형태의 시스템 블록도를 예시한다; 그리고
도 25는 외부 통신 인프라를 통해 서버 컴퓨터와 동작 통신하는 도 24의 가상 현실 용접 시스템을 나타내는 한 예시적인 실시형태를 예시한다.

본 발명의 한 실시형태는, 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 포함하는 가상 현실 아크 용접(virtual reality arc welding; VRAW) 시스템을 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 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.

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. 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(140)와 ST(120)에 동작적으로 연결된 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스(FMDD)(140)를 포함한다. 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 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.

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 보이는 뷰를, 용접자의 동일한 각도의 뷰에서 또는 예를 들면 강사(instructor)에 의해 선택된 다양한 상이한 각도에서 디스플레이할 수도 있다. 다양한 특성을 보는 것에 응답하여 ODD(150)는 다양한 훈련 목적을 위해 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 위치로 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 및 E7010 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 MWT(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 MWT를 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, 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(174) 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 6을 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)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 쉐이더(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. 쉐이더(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.

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 모델(1202), 환경 모델(1203), 사운드 콘텐츠 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(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(1219), 채점 및 허용 오차 기능성(tolerance functionality; 1220), 허용 오차 편집기(1221), 및 특수 효과(1222)를 포함한다.

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, 물리적 유저 인터페이스(130)의 조이스틱(132)을 사용하여 ODD(150)를 통해, 유저가 용접 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.

시뮬레이팅된 용접 시나리오 동안, 그래프화 기능성(1214)은 유저 성과 파라미터를 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.

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 있다, 즉 그래프화될 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 콘텐츠 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. 예를 들면, 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 콘텐츠는 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.

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 14c와 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. 단계 1310에서, 용접 기술에 따라 용접 쿠폰을 기준으로 모형 용접 툴을 이동시킨다. 단계 1320에서, 모형 용접 툴의 위치 및 방향을 가상 현실 시스템을 사용하여 3차원으로 추적한다. 단계 1330에서, 상기 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 관찰한다. 단계 1340에서, 시뮬레이팅된 용접 퍼들의 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 디스플레이 상에서 관찰한다. 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, 상기 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, 이전의 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 융합된다. 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 쉐이더에 의해 달성된다.

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 위치는 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 둥근 형태의 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 위치에서 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.

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 쉐이더(117)에 의해 제공되는 정점 및 픽셀 쉐이더에 의해 핸들링된다. 정점 및 픽셀 쉐이더는 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 응고되는 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, 쉐이더 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.

요약하면, 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 포함하는 가상 현실 용접 시스템이 개시된다. 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.

향상된 유저 경험

일 실시형태는 가상 현실 아크 용접 시스템을 제공한다. 시스템은, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템에 동작적으로 연결된 공간 추적기, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템 및 공간 추적기와 무선으로 통신하도록 구성된 적어도 하나의 무선 모형 용접 툴, 및 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템 및 공간 추적기와 무선으로 통신하도록 구성된 적어도 하나의 무선 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스를 포함한다. 무선 모형 용접 툴 및 무선 얼굴 장착형 디스플레이는 시스템의 유저에게 시뮬레이팅된 용접 프로세스 동안 더 많은 이동성과 유연성을 제공할 수도 있다. 시스템은, 가상 현실 환경에서, 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 갖는 용접 퍼들을 시뮬레이팅하도록, 그리고 적어도 하나의 무선 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스 상에 시뮬레이팅된 용접 퍼들을 실시간으로 디스플레이하도록 구성된다. 시스템은 또한, 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템 및 공간 추적기에 통신적으로 유선연결된(communicatively wired) 무선 허브 디바이스를 포함할 수도 있는데, 적어도 하나의 무선 모형 용접 툴 및 적어도 하나의 무선 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스 각각은 무선 허브 디바이스를 통해 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템 및 공간 추적기와 무선으로 통신한다. 시스템은, 적어도 하나의 모형 용접 툴에 부착되며 실제 용접 케이블의 적어도 중량 및 강직도(stiffness)를 시뮬레이팅하도록 구성된 모형 용접 케이블을 더 포함할 수도 있다.

도 20은 실시간의 가상 현실 환경에서 아크 용접 훈련을 제공하는 시스템(2000)의 시스템 블록도의 제2 예시적인 실시형태를 예시한다. 시스템(2000)은 도 1의 시스템(100)과 유사하다. 그러나, 한 실시형태에 따르면, 시스템(2000)은 PPS(110) 및 ST(120)와 각각 통신하도록 이들에 동작적으로 유선 연결되는 무선 허브 디바이스(2010)를 포함한다. 무선 허브 디바이스(2010)는 시스템(2000)의 임의의 진정한 무선 컴포넌트가 PPS(110) 및/또는 ST(120)와 통신하는 것을 허용한다.

한 실시형태에 따르면, 도 20의 시스템(2000)에서, 시스템의 모형 용접 툴(MWT)(160)은 무선이고 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스(FMDD)(140)는 무선이고 각각은 무선 허브 디바이스(2010)를 통해 PPS(110) 및 ST(120)와 통신한다. 예를 들면, 가스 텅스텐 아크 용접 시뮬레이션에 대한 시뮬레이팅 용접 전류를 제어하기 위한 풋 페달 디바이스와 같은 시스템의 다른 옵션사항인(optional) 엘리먼트도 또한 무선일 수도 있다. 대안적인 실시형태에 따르면, 무선 허브 디바이스(2010)는 존재하지 않고, 대신, PPS(110) 및 ST(120) 각각은 무선 FMDD(140) 및/또는 무선 MWT(160)와 직접적으로 무선으로 통신하도록 구성된다. 본원에서 논의되는 바와 같은 무선 통신은, 예를 들면, 와이파이 또는 Bluetooth^®와 같은 무선 주파수 기술을 포함하는 임의의 다양한 타입의 무선 기술을 통해 달성될 수도 있다. 다양한 다른 실시형태에 따르면, 예를 들면, 적외선 기술 또는 음향 기술과 같은 다른 무선 기술이 또한 활용될 수도 있다.

한 실시형태에 따르면, 모형 용접 툴이 무선이고, 따라서, 시스템(200)의 임의의 다른 부분에 대한 유선 연결을 가질 필요는 없을지라도, 실제 용접 케이블의 중량 및 강직도를 시뮬레이팅하기 위해 모형 용접 케이블(2020)이 무선 모형 용접 툴에 부착될 수도 있다. 이 방식에서, 용접 실습생은 이러한 모형 용접 케이블이 없는 무선 모형 용접 툴의 사용 용이성에 의해 잘못 길들여지지 않을 것이다.

다른 실시형태는 가상 현실 용접 시스템을 사용하는 방법을 제공한다. 방법은, 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 생성된 가상 용접 비드를 갖는 가상 용접 조인트의 이미지를 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이하는 것을 포함한다. 방법은, 가상 현실 용접 시스템의 유저 인터페이스를 사용하여 가상 용접 조인트의 이미지의 길이 차원을 가로질러 스크롤링하는 것, 및 스크롤링에 응답하여 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이 디바이스 상에 가상 용접 조인트의 이미지의 길이 차원을 따른 연속하는 위치에서의 가상 용접 조인트를 관통하는 단면 영역의 이미지를 디스플레이하는 것을 더 포함한다. 방법은 또한, 단면 영역의 디스플레이된 이미지에 대응하는 가상 용접 조인트의 이미지의 길이 차원을 따른 한 위치를 나타내는 단면 표시자(indicator)를 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이하는 것을 포함할 수도 있다. 방법은, 가상 용접 조인트의 이미지의 길이 차원을 따른 한 위치에서 스크롤링을 중지하는 것 및 그 위치에서의 가상 용접 조인트를 관통하는 단면 영역의 디스플레이된 이미지를 관측하는 것을 더 포함할 수도 있다. 가상 용접 조인트의 이미지의 길이 차원을 따른 한 위치에서의 가상 용접 조인트를 관통하는 단면 영역의 디스플레이된 이미지는, 가상 현실 용접 시스템에 의해 시뮬레이팅된 그 위치에서의 가상 용접 조인트의 용접 특성을 나타낼 수도 있다. 용접 특성은, 예를 들면, 가상 현실 용접 시스템에 의해 시뮬레이팅되었을 때의 가상의 용접 쿠폰 안으로의 가상의 관입 및 내부 결함 및 불연속부를 포함할 수도 있다. 방법은 또한, 제1 위치와 제2 위치 사이의 가상 용접 조인트의 이미지의 길이 차원을 가로질러 시간적으로 자동적으로 루프화하여(looping), 그 루프화 동안의 시간에서 제1 위치로부터 제2 위치에 이르기까지의 복수의 정의된 위치의 각각에서의 가상 용접 조인트를 관통하는 단면 영역의 이미지를 디스플레이하는 것을 포함할 수도 있다.

도 21은 가상 현실 용접 시스템(예를 들면, 시스템(100))의 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이될 수도 있는 용접 비드 외관을 갖는 가상 용접 조인트(2100)의 디스플레이된 이미지를 예시한다. 한 실시형태에 따르면, 가상 용접 조인트(2100)는 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 생성되고 가상 용접 조인트(2100)를 3차원으로 나타내는 저장된 데이터로서 가상 현실 용접 시스템 내에서 표현된다. 따라서, 가상 용접 조인트(2100)는 외부 및 내부 특성 둘 다를 갖는 것으로 가상 현실 용접 시스템 내에서 표현된다.

외부 특성은, 예를 들면, 형상, 컬러, 슬래그, 사이즈, 및 적층된 다임 외관을 포함할 수도 있다. 내부 특성은, 예를 들면, 3차원으로 적절히 표현되는 가상 용접 쿠폰 안으로의 관입의 양 및 내부 결함과 불연속부를 포함할 수도 있다. 가상 용접 조인트(2100)의 내부 및 외부 특성은, 가상 현실 용접 시스템에서 실시간으로 시뮬레이팅되는 유저 기술과 몰딩된 물리적 성질 및 야금 특성을 포함하는, 가상 용접 조인트(2100)를 생성했던 가상 용접 프로세스의 결과이다.

한 실시형태에 따르면, 가상 용접 조인트의 디스플레이된 이미지의 길이 차원(2120)을 가로지르는 단면 표시자(2110)를 한 방향 또는 다른 방향에서 스크롤하기 위해, 유저는 유저 인터페이스(130 또는 150)(예를 들면, 트랙볼, 노브, 버튼, 조이스틱, 터치 스크린 디스플레이 디바이스 가로질러 드래깅되는 유저의 손가락)의 일부를 사용할 수도 있다. 도 21에서, 단면 표시자(2110)는 디스플레이된 가상 용접 조인트(2100)를 특정 위치에서 교차하는 점선으로 디스플레이된 것으로 도시된다.

가상 용접 조인트(2100)의 이미지의 길이를 따른 단면 표시자(2110)의 위치에 기초하여, 가상 현실 용접 시스템은, 가상 용접 조인트의 내부 특성을 나타내는, 그 위치에서의 가상 용접 조인트(2100)의 단면 영역(2130)의 이미지를 디스플레이한다. 유저가 가상 용접 조인트(2100)의 이미지의 길이를 따라 단면 표시자(2110)의 위치를 움직임에 따라, 새로운 위치에 대응하는 상이한 단면 영역의 상이한 이미지가 디스플레이된다. 한 실시형태에 따르면, 가상 용접 조인트(2100)의 길이 차원(2120)을 가로질러, 어떤 정의된 수의 균등하게 이격된 단면 영역의 이미지가 가상 현실 용접 시스템에 의해 생성된다. 단면 이미지는, 가상 용접 조인트(2100)가 형성될 때, 또는 가상 용접 조인트(2100)가 형성된 이후에, 예를 들면 유저의 커맨드에 따라 자동적으로 생성될 수도 있다.

이 방식에서, 유저는 상이한 위치에서 가상 용접 조인트의 내부 특성을 선택적으로 디스플레이하고 관측하기 위해 가상 용접 조인트의 이미지의 길이를 가로질러 스크롤할 수도 있다. 예로서, 가상 용접 조인트의 한 부분을 따른 내부 특성이 가상 용접 조인트의 다른 부분을 따른 내부 특성보다, 비록 이 두 부분을 따른 외부 특성이 양호하게 보일 수는 있어도, 훨씬 양호할 수도 있다는 것을 유저가 발견할 수도 있다. 그 다음, 유저는 전체 용접 조인트를 가로지르는 내부 특성을 향상시키기 위해 자신의 용접 기술 중 하나 이상의 양태를 어떻게 변경시킬 것인가를 탐구할 수도 있다.

도 22는 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이될 수도 있는, 용접 비드 외관을 갖는 도 21의 가상 용접 조인트(2100)의 디스플레이된 이미지를 예시한다. 한 실시형태에 따르면, 유저는, 단면 표시자(2110)가 루프화할 수도 있는, 가상 용접 조인트(2100)의 이미지의 길이 차원을 따라 제1 위치 "A"와 제2 위치 "B"를 지정하기 위해 가상 현실 용접 시스템의 유저 인터페이스를 활용할 수도 있다. 또한, 가상 현실 용접 시스템은, 제1 위치 "A"와 제2 위치 "B" 사이의 가상 현실 용접 조인트(2100)의 이미지의 길이 차원(2120)을 가로지르는 시간에서 자동적으로 루프화하여, 그 루프화 동안의 시간에서 제1 위치 "A"로부터 제2 위치 "B"에 걸치는 복수의 정의된 위치의 각각에서의 가상 용접 조인트(2100)를 관통하는 단면 영역(2130)의 이미지를 연속적으로 디스플레이하도록 명령을 받을 수도 있다.

위치 "A"와 위치 "B" 사이의 정의된 위치와 대응하는 단면 영역의 이미지의 수는 가상 현실 용접 시스템의 해상도 및 데이터 처리 능력에 의존한다. 예를 들면, 한 실시형태에 따르면, 제1 위치 "A"로부터 제2 위치 "B"까지 64개의 균등하게 이격되어 정의된 위치가 존재할 수도 있다. 결과적으로, 가상 현실 용접 시스템은 가상 용접 조인트(2100)의 대응하는 단면 영역의 64개의 고유한 이미지를 통해 루프화할 수도 있다. 한 실시형태에 따르면, 유저는 단면 영역을 관찰하는 것과 유사한 방식으로 파이프의 가상 용접 조인트의 둘레 차원을 따라 스크롤하여 루프화할 수도 있다. 다시, 단면 이미지는, 가상 용접 조인트(2100)가 형성될 때, 또는 가상 용접 조인트(2100)가 형성된 이후에, 예를 들면 유저의 커맨드에 따라 자동적으로 생성될 수도 있다.

추가 실시형태는 가상 현실 용접 시스템을 사용하는 방법을 제공한다. 방법은 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 가상 용접 비드를 갖는 가상 용접 조인트를 생성하는 것을 포함한다. 가상 용접 조인트는 가상 현실 용접 시스템 내에서 제1 디지털 데이터 세트로서 표현된다. 방법은 가상 현실 용접 시스템 상의 제1 디지털 데이터 세트를 사용하여 가상 용접 조인트의 적어도 일부를 나타내는 3차원(three-dimensional; 3D) 디지털 모델을 생성하는 것을 더 포함하는데, 3D 디지털 모델은 3D 프린팅 시스템과 동작적으로 호환가능하다. 방법은 또한, 3D 디지털 모델을 3D 프린팅 시스템으로 전송하는 것, 및 가상 용접 조인트의 적어도 일부를 나타내는 3D 물리적 모델을 3D 디지털 모델을 사용하여 3D 프린팅 시스템 상에 프린팅하는 것을 포함할 수도 있다. 3D의 물리적 모델은 플라스틱 재료, 금속 재료, 또는 세라믹 재료 중 적어도 하나로 이루어질 수도 있다. 가상 용접 조인트는 가상 용접 비드에 의해 수정된 가상 용접 쿠폰을 포함할 수도 있다. 3D 프린팅 시스템은 가상 현실 용접 시스템과 동작 통신할 수도 있고 3D 디지털 모델의 전송은 동작 통신을 통해 달성될 수도 있다. 가상 현실 용접 시스템과 3D 프린팅 시스템 사이의 동작 통신은 유선 수단을 통할 수도 있거나 또는, 적어도 부분적으로, 무선 수단을 통할 수도 있다.

도 23은 3D 프린팅 시스템(2350)과 동작 통신하는 가상 현실 용접 시스템(2300)을 예시한다. 가상 현실 용접 시스템(2300)은 도 1의 시스템(100)과 유사하다. 그러나, 시스템(2300)은 또한, 가상 용접 조인트의 적어도 일부를 나타내는 3D 디지털 모델(2310)을 생성하도록 그리고 3D 디지털 모델(2310)을 (예를 들면, 디지털 파일의 형태로) 3D 프린팅 시스템에 전달하도록 구성된다. 가상 용접 조인트는, 최초, 가상 현실 용접 시스템(2300)을 사용하여 생성되고 가상 현실 용접 시스템 내에서 제1 디지털 데이터 세트로서 표현된다(예를 들면, 메모리에 저장된다). 제1 디지털 데이터 세트는 가상 용접 조인트의 생성 시 도 1의 시스템(100)에 의해 생성된 데이터와 동일한 타입을 포함한다. 그러나, 시스템(100)과는 달리, 가상 현실 용접 시스템(2300)은 제1 디지털 데이터 세트를 처리하여 3D 디지털 모델(2310)을 생성하도록 추가로 구성된다.

한 실시형태에 따르면, 3D 디지털 모델(2310)은, 예를 들면, 컴퓨터 보조 디자인(CAD) 모델이다. 다양한 다른 실시형태에 따르면, 다른 타입의 3D 디지털 모델도 또한 가능할 수도 있다. 한 실시형태에 따르면, 가상 현실 용접 시스템(2300)의 PPS(110)는 제1 디지털 데이터 세트를 판독하도록 그리고 제1 디지털 데이터 세트를 3D 디지털 모델(2310)로 변환하도록 구체적으로 프로그래밍된 변환 소프트웨어 모듈을 활용한다. 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "3D 디지털 모델"은, 3D 프린팅 시스템(2350)과 같은 컴퓨터 기반 또는 프로세서 기반 장치에 의해 판독될 수도 있는 디지털 포맷(예를 들면, 컴퓨터 판독가능 매체 상에 저장된 디지털 전자 포맷)인 데이터 및/또는 명령을 지칭한다. 일단 3D 디지털 모델(2310)이 생성되면, 모델(2310)은, 모델(2310)이 3D 프린팅 시스템(2350)과 호환가능한 한 3D 프린팅을 위해 3D 프린팅 시스템(2350)으로 전송될 수도 있다.

한 실시형태에 따르면, 가상 현실 용접 시스템(2300)은 통신 디바이스(2320)를 포함한다. 통신 디바이스(2320)는 가상 현실 용접 시스템(2300)의 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(110)에 동작적으로 연결되고 디지털적으로 전달되는 방식으로 데이터를 전송하기 위한 회로부 및/또는 소프트웨어 모두를 제공한다. 예를 들면, 통신 디바이스(2320)는 이더넷 포트 및 이더넷 대응 전송 회로부(Ethernet-capable transmitting circuitry)를 포함할 수도 있다. 다른 예로서, 통신 디바이스(2320)는 무선 Bluetooth™ 통신 연결을 제공할 수도 있다. 대안적으로, 통신 디바이스(2320)는, 예를 들면, 컴퓨터 디스크 또는 플래시 드라이브 데이터 스토리지 디바이스와 같은 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 수용하고 그 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 기록하는 디바이스일 수도 있다. 다른 대안적인 예로서, 통신 디바이스(2320)는 인터넷에 대한 연결을 제공하는 모뎀 디바이스일 수도 있다. 다양한 실시형태에 따르면, 다른 타입의 통신 디바이스도 또한 가능하다. 한 실시형태에 따르면, 3D 프린팅 시스템(2350)은 통신 디바이스(2320)와 동작적으로 호환가능하다.

도 23을 참조하면, 3D 프린팅 시스템(2350)은, 한 실시형태에 따르면, 가상 현실 용접 시스템(2300)이 3D 프린팅 시스템(2350)과 호환가능하게 구성될 수 있는 상업적으로 입수가능한 시스템일 수도 있다. 3D 프린팅 시스템은, 바닥층부터 시작하는 구성면 상으로 원료 물질을 다층으로 스프레이하거나 또는 다르게는 전사하는 것에 의해 물리적 모델(2355)를 프린트한다. 3D 프린팅 시스템(2350)은 모델을 복수의 수평 층으로 효율적으로 분할하도록 3D 디지털 모델(2310)을 처리한다. 수평 층은, 완성된 물리적 모델(2355)이 출현할 때까지 3D 프린팅 시스템에 의해 한 층씩 프린트된다. 도 23에 도시된 바와 같이, 물리적 모델(2355)은, 가상 현실 용접 시스템(2300)을 사용하여 함께 가상적으로 접합된 파이프의 2개의 가상의 조각을 포함하는 가상의 용접 조인트에 대응한다.

3D의 물리적 모델(2355)은, 3D 프린팅 시스템(2350)에 따라, 예를 들면, 플라스틱 재료, 금속 재료, 또는 세라믹 재료를 포함하는 다수의 상이한 타입의 재료 중 임의의 것으로 이루어질 수도 있다. 3D 프린팅 프로세스 중 한 타입은, 물리적 모델의 각각의 층에 대해 레이저를 이용하여 입상의(granular)의 물질을 가열하는 것 및 입상의 물질의 응고를 허용하는 것을 포함한다. 다른 3D 프린팅 프로세스는, 자동화된 글루 건의 방식과는 다른 방식으로 물질의 층을 퇴적하고 그 층을 경화시키기 위한 수단으로서 자외선 광을 사용할 수도 있다.

한 실시형태에 따르면, 가상 현실 용접 시스템(2300)은 3D 디지털 모델에 있어서 가상 용접 조인트의 외부 및 내부 양자를 정확하게 모델링하도록 구성된다. 이와 같이, 대응하는 3D의 물리적 모델을 프린팅한 이후, 유저는 용접 조인트의 내부 특성을 관찰하기 위해 물리적 모델을 파괴적으로 절단할 수도 있다(또는 물리적 모델의 내부를 비파괴적으로 이미지화할 수도 있다). 대안적인 실시형태에 따르면, 가상 용접 조인트의 외부만이 3D 디지털 모델에서 정확하게 모델링된다. 외부만의 이러한 모델링은, 3D 디지털 모델을 구성하는 정보의 양을 감소시키고, 결과적으로, (3D 디지털 모델을 생성하기 위한) 가상 현실 용접 시스템 및 (3D 물리적 모델을 프린트하기 위한) 3D 프린팅 시스템 양자의 감소된 처리 시간으로 나타나게 된다.

이 방식에서, 가상 현실 용접 시스템의 유저는, 가상 현실 용접 시스템 상에서 유저에 의해 생성된 가상 용접 조인트를 나타내는 물리적 용접 조인트를 생성할 수도 있다. 유저는 자신의 가상 현실 용접 경험의 기념물로서 물리적 용접 조인트를 집에 가지고 갈 수도 있다.

다른 실시형태는 가상 현실 용접 시스템을 온라인 용접 게임에 결부시키는 방법을 제공한다. 방법은, 유저의 가상 현실 용접 시스템 상에서의 가상 현실 용접 진척도(progress)를 추적하는 것 및 가상 현실 용접 시스템 상에서의 유저의 가상 현실 용접 진척도를 나타내는 유저 통계치의 전자 파일을 생성하는 것을 포함한다. 방법은, 외부 통신 인프라(external communication infrastructure)를 통해, 가상 현실 용접 시스템으로부터 온라인 용접 게임을 제공하는 서버 컴퓨터로 전자 파일을 전송하는 것을 포함한다. 방법은 또한, 온라인 용접 게임이 전자 파일을 판독하는 것 및 전자 파일에서의 유저 통계치에 기초하여 온라인 용접 게임에 관한 유저의 게임용 프로파일(gaming profile)을 업데이트하는 것을 포함한다. 유저 통계치는, 가상 현실 용접 시스템 상에서 유저가 성공적으로 수행한 용접 프로세스의 타입을 나타내는 데이터, 가상 현실 용접 시스템 상에서 유저가 성공적으로 마스터한 용접 스킬의 타입을 나타내는 데이터, 및 온라인 용접 게임을 통해 상환될 수도 있는 가상 현실 용접 시스템 상에서 유저가 획득한 보상 포인트(reward point)를 나타내는 데이터 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 유저의 게임용 프로파일은, 온라인 용접 게임에 참여하도록 유저가 허락받은 용접 프로젝트의 타입 및 온라인 용접 게임에서 수행하도록 유저가 허락받은 용접 프로세스의 특정 타입 중 적어도 하나를 포함한다. 방법은, 유저의 유저 통계치를 복수의 다른 유저에 대해 비교하는 것 및 비교에 기초하여 유저와 복수의 다른 유저의 서로 간의 순위를 정하는 것(ranking)을 더 포함할 수도 있다.

도 24는 가상 현실 용접 시스템(2400)의 한 실시형태를 예시한다. 가상 현실 용접 시스템(2400)은 도 1의 시스템(100)과 유사하다. 그러나, 시스템(2400)은, 가상 현실 용접 시스템(2400) 상에서 유저의 가상 현실 용접 진척도를 추적하도록 그리고 유저의 진척도를 나타내는 유저 통계치의 전자 파일(2420)(도 25 참조)을 생성하도록 추가로 구성된다. 한 실시형태에 따르면, PPS(110)는 가상 현실 용접 시스템(2400) 상에서 유저의 가상 현실 용접 진척도를 추적하고 유저의 진척도를 나타내는 유저 통계치의 전자 파일(2420)을 생성한다.

한 실시형태에 따르면, 가상 현실 용접 시스템(2400)은 통신 디바이스(2410)를 포함한다. 통신 디바이스(2410)는 가상 현실 용접 시스템(2400)의 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(110)에 동작적으로 연결되고 디지털적으로 전달되는 방식으로 데이터를 외부로 전송하기 위한 회로부 및/또는 소프트웨어 모두를 제공한다. 예를 들면, 통신 디바이스(2410)는 인터넷에 대한 연결을 제공하는 모뎀 디바이스일 수도 있다.

도 25는 외부 통신 인프라(2500)를 통해 서버 컴퓨터(2510)와 동작 통신하는 가상 현실 용접 시스템(2400)을 나타내는 한 예시적인 실시형태를 예시한다. 외부 통신 인프라(2500)는, 예를 들면, 인터넷, 셀룰러 전화 네트워크, 또는 위성 통신 네트워크 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 서버 컴퓨터(2510)는 온라인 용접 게임(2520)을 제공한다. 한 실시형태에 따르면, 온라인 용접 게임(2520)은, 예를 들면, 퍼스널 컴퓨터(예를 들면, 데스크탑 컴퓨터) 또는 모바일 컴퓨팅 디바이스(예를 들면, 스마트 폰)를 사용하여 유저가 플레이할 수도 있는 컴퓨터 기반 게임이다. 온라인 용접 게임(2520)은, 예를 들면, 가상 현실 용접 시스템(2400) 상에서 획득되는, 게임을 플레이하기 위해 다양한 유저 용접 스킬을 필요로 하는 다양한 프로젝트를 제공한다. 온라인 용접 게임(2520)의 유저는 게임의 용접 프로젝트를 성공적으로 완수하는 것의 일부로서 포인트를 획득하고/하거나 보상을 받을 수도 있다.

가상 현실 용접 시스템(2400) 상에서 유저가 수행할 수도 있는 용접 프로세스의 타입은, 예를 들면, 피복 아크 용접 프로세스, 가스 금속 아크 용접 프로세스, 및 가스 텅스텐 아크 용접 프로세스를 포함할 수도 있다. 가상 현실 용접 시스템(2400)을 사용하여 유저가 획득할 수도 있는 용접 스킬의 타입은, 예를 들면, 특정 용접 프로세스에 대해 시스템을 셋업하는 법, 용접을 위해 금속을 준비하는 법, 특정 용접 프로세스 동안 용접 건/토치를 적절하게 파지하는 법, 특정 용접의 시작에서 아크를 발생시키는 법, 특정 용접 프로세스 동안 용접 전극을 이동시키는 법, 다양한 평판 용접 스킬, 및 다양한 파이프 용접 스킬을 포함할 수도 있다. 다른 다양한 실시형태에 따르면, 다른 타입의 용접 프로세스 및 스킬도 또한 가능하다. 이러한 용접 프로세스 및 스킬은, 일단 유저가 이들 프로세스 및 스킬에 대해 충분한 숙달도를 시연했다면, 유저의 가상 현실 용접 통계치의 파일(2420) 내에 포함될 수도 있다.

온라인 용접 게임(2520)은 게임의 일부로서, 예를 들면, 다리(bridge) 프로젝트, 자동차 프로젝트, 및 고층건물(sky scraper building) 프로젝트와 같은 다양한 용접 프로젝트를 제공할 수도 있다. 일반적으로, 유저는 온라인 용접 게임(2520)의 일부인 용접 프로젝트에 대해, 유저가 그 용접 프로젝트에 대해 작업할 준비가 되어 있다는 것을 가상 현실 용접 시스템(2400)으로부터의 유저의 전자 파일에서의 통계치(즉, 데이터)가 나타낼 때까지, 작업을 할 수 없다. 한 실시형태에 따르면, 서버 컴퓨터(2510)의 온라인 용접 게임(2520)은 유저의 가상 현실 용접 통계치를 갖는 전자 파일(2420)을 판독하고 유저 통계치에 기초하여 유저의 게임용 프로파일을 업데이트한다. 예를 들면, 유저에 대한 전자 파일에서의 통계치는 온라인 용접 게임(2520)에 의해 해석되고, 유저가 피복 아크 용접(스틱 전극) 프로세스를 사용하여 고층건물 프로젝트에 대해 작업하는 것을 허용하도록, 유저의 게임용 프로파일을 업그레이드할 수도 있다.

또한, 유저가 가상 현실 용접 시스템(2400) 상에서 진보함에 따라, 유저는 전자 파일을 통해 온라인 용접 게임(2520)으로 전달될 수도 있는 보상 포인트를 획득할 수도 있다. 한 실시형태에 따르면, 유저는 보상 포인트를 온라인 용접 게임(2520)을 사용하여 상환할 수도 있다. 예를 들면, 유저는 온라인 상품(예를 들면, 온라인 용접 게임을 광고하는 티셔츠)을 구매하는 데 보상 포인트를 사용할 수도 있다. 대안적으로, 유저는 온라인 용접 게임의 몇몇 진보된 피쳐에 대한 액세스를 획득하는 데 보상 포인트를 사용할 수도 있다.

한 실시형태에 따르면, 한 유저의 통계치는 서버 컴퓨터(2510) 상의 다른 유저의 통계치에 비교되어 모든 유저의 서로에 대한 순위를 매길 수도 있다. 순위 매김(ranking)은, 예를 들면, 온라인 용접 게임의 일부로서 유저에게 제공될 수도 있다. 순위 매김은, 예를 들면, 주(state) 레벨의 랭킹, 국가적 레벨의 레벨, 및 세계적 레벨의 랭킹을 포함하는 상이한 레벨의 지역성에 의할 수도 있다.

본 발명이 소정의 실시형태를 참조로 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경예가 이루어질 수도 있고 등가예로 대체될 수 있다는 것이 기술분야의 숙련된 자에 의해 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 교시에 대해 특정 상황 또는 재료를 적응시키도록 많은 수정예가 이루어질 수도 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 있는 모든 실시형태를 포함할 것이라는 것이 의도된다.

100: 시스템 135: 콘솔
110: 프로세서 기반 서브시스템 136: 노브
111: 중앙 처리 유닛 137: 노브
115: 그래픽 처리 유닛 140: 얼굴 장착형 디스플레이
디바이스
116: 계산 통합형 디바이스 150: 관측자 디스플레이 디바이스
아키텍처(CUDA) 151: 용접 파라미터
117: 쉐이더 152: 용접 불연속부 상태
118: 비디오 출력 153: 유저 선택부
119: 비디오 출력 160: 모형 용접 툴
120: 공간 추적기 161: 홀더
121: 자기 소스 162: 전극
122: 센서 163: 촉각적 저항성 팁
123: 디스크 170: 테이블/스탠드
124: 전력원 171: 테이블
125: 케이블 172: 스탠드/베이스
126: 추적 유닛 173: 암
130: 용접 유저 인터페이스 174: 수직 포스트
131: 버튼 세트 175: 용접 쿠폰
132: 조이스틱 175': 파이프
133: 노브 175": 파이프
134: 노브 180: 용접 쿠폰
900: 용접용 헬멧 1220: 채점 및 허용 오차 기능성
910: 이어버드 스피커 1221: 허용 오차 편집기
1201: 물리적 인터페이스 1222: 특수 효과
1202: 클램프 모델 1300: 방법
1203: 환경 모델 1310: 단계
1204: 사운드 콘텐츠 기능성 1320: 단계
1205: 용접 사운드 1330: 단계
1206: 스탠드/테이블 모델 1340: 단계
1207: 내부 아키텍처 기능성 1350: 단계
1208: 캘리브레이션 기능성 1400: 용접 쿠폰
1210: 쿠폰 모델 1410: 표면
1211: 용접 물리 1420: 변위 맵
1212: 내부 물리 조정 툴/트위커 1421: 웩셀
1213: 그래픽 유저 인터페이스 1600: 용접 쿠폰
기능성 1610: 표면
1214: 그래프화 기능성 1620: 표면
1215: 실습생 리포트 기능성 1700: 용접 쿠폰
1216: 렌더러 1701: 파이프 조각
1217: 비드 렌더링 1702: 파이프 조각
1218: 3D 텍스쳐 1703: 루트 조인트
1219: 시각적 신호 기능성 1704: 부착 조각
1710: 표면
1910: 바 2510: 서버 컴퓨터
1920: 파티클 2520: 용접 게임
1930: 높이 A: 위치
1940: 직사각형 B: 위치
2000: 시스템 E: 포인트
2010: 무선 허브 디바이스 O: 포인트
2020: 모형 용접 케이블 S: 텍스쳐 좌표
2100: 용접 조인트 T: 텍스쳐 좌표
2110: 단면 표시자 X: 포인트
2120: 길이 차원 Y: 포인트
2130: 단면 영역 Z: 포인트
2300: 용접 시스템
2310: 디지털 모델
2320: 통신 디바이스
2350: 프린팅 시스템
2355: 물리적 모델
2400: 용접 시스템
2410: 통신 디바이스
2420: 전자 파일
2500: 통신 인프라

Claims (15)

1. 가상 현실 용접 시스템(100, 2000, 2400)으로서,
   프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(110);
   상기 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(110)에 동작적으로 연결된 공간 추적기(120);
   상기 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(110) 및 상기 공간 추적기(120)와 무선으로 통신하도록 구성된 적어도 하나의 무선 모형 용접 툴(mock welding tool; 160); 및
   상기 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(110) 및 상기 공간 추적기(120)와 무선으로 통신하도록 구성된 적어도 하나의 무선 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스
   를 포함하고,
   상기 시스템(100, 2000, 2400)은, 가상 현실 환경에서, 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 갖는 용접 퍼들(puddle)을 시뮬레이팅하도록, 그리고 상기 시뮬레이팅된 용접 퍼들을 상기 적어도 하나의 무선 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스 상에 실시간으로 디스플레이하도록 구성되는 것인, 가상 현실 용접 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(110) 및 상기 공간 추적기(120)에 통신적으로 유선연결된(communicatively wired) 무선 허브 디바이스를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 무선 모형 용접 툴(160) 및 상기 적어도 하나의 무선 얼굴 장착형 디스플레이 디바이스 각각은 상기 무선 허브 디바이스를 통해 상기 프로그래밍가능한 프로세서 기반 서브시스템(110) 및 상기 공간 추적기(120)와 무선으로 통신하는 것인, 가상 현실 용접 시스템.
3. 방법으로서,
   가상 현실 용접 시스템의 디스플레이 디바이스 상에, 상기 가상 현실 용접 시스템을 사용하여 생성되었던, 가상 용접 비드(bead)를 구비하는 가상 용접 조인트의 이미지를 디스플레이하는 단계;
   상기 가상 현실 용접 시스템의 유저 인터페이스를 사용하여 상기 가상 용접 조인트의 상기 이미지의 길이 차원을 가로질러 스크롤링하는 단계; 및
   상기 스크롤링에 응답하여 상기 가상 현실 용접 시스템의 상기 디스플레이 디바이스 상에, 상기 가상 용접 조인트의 상기 이미지의 상기 길이 차원을 따른 연속하는 위치에서의 상기 가상 용접 조인트를 관통하는 단면 영역의 이미지를 디스플레이하는 단계
   를 포함하는, 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 단면 영역의 상기 디스플레이된 이미지에 대응하는 상기 가상 용접 조인트의 상기 이미지의 상기 길이 차원을 따른 한 위치를 나타내는 단면 표시자(indicator)를 상기 가상 현실 용접 시스템의 상기 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이하는 단계를 더 포함하고, 그리고/또는
   상기 가상 용접 조인트의 상기 이미지의 상기 길이 차원을 따른 한 위치에서 상기 스크롤링을 중지하고, 상기 위치에서의 상기 가상 용접 조인트를 관통하는 상기 단면 영역의 상기 디스플레이된 이미지를 관측하는 단계
   를 더 포함하는, 방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 가상 용접 조인트의 상기 이미지의 상기 길이 차원을 따른 한 위치에서의 상기 가상 용접 조인트를 관통하는 단면 영역의 디스플레이된 이미지는, 상기 가상 현실 용접 시스템에 의해 시뮬레이팅된 상기 위치에서의 상기 가상 용접 조인트의 용접 특성을 나타내는 것인, 방법.
6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 용접 특성은, 상기 가상 현실 용접 시스템에 의해 시뮬레이팅된, 가상 용접 쿠폰 안으로의 상기 가상 용접 비드의 관입(penetration) 및 내부 결함 및 불연속부를 포함하는 것인, 방법.
7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   제1 위치와 제2 위치 사이의 상기 가상 용접 조인트의 상기 이미지의 길이 차원을 가로질러 시간적으로 자동적으로 루프화하여(looping), 상기 루프화 동안의 시간에서 상기 제1 위치로부터 상기 제2 위치에 이르기까지의 복수의 정의된 위치의 각각에서의 상기 가상 용접 조인트를 관통하는 단면 영역의 이미지를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는, 방법.
8. 방법으로서,
   가상 현실 용접 시스템을 사용하여 가상 용접 비드를 갖는 가상 용접 조인트 - 상기 가상 용접 조인트는 상기 가상 현실 용접 시스템 내에서 제1 디지털 데이터 세트로서 표현됨 - 를 생성하는 단계; 및
   상기 가상 현실 용접 시스템 상의 상기 제1 디지털 데이터 세트를 사용하여 상기 가상 용접 조인트의 적어도 일부를 나타내는 3차원(3D) 디지털 모델을 생성하는 단계
   를 포함하고,
   상기 3D 디지털 모델은 3D 프린팅 시스템과 동작적으로 호환 가능한 것인, 방법.
9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 3D 디지털 모델을 상기 3D 프린팅 시스템으로 전송하는 단계; 및
   상기 3D 프린팅 시스템 상의 상기 3D 디지털 모델을 사용하여 상기 가상 용접 조인트의 적어도 일부를 나타내는 3D 물리적 모델을 프린팅하는 단계
   를 더 포함하는, 방법.
10. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가상 용접 조인트는 상기 가상 용접 비드에 의해 수정된 가상 용접 쿠폰을 포함하는 것인, 방법.
11. 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 시스템은 상기 가상 현실 용접 시스템과 동작 통신(operative communication)하고 상기 전송은 상기 동작 통신을 통해 달성되는 것인, 방법.
12. 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동작 통신은 유선 수단 및 무선 수단 중 적어도 하나를 통하여 이루어지는 것인, 방법.
13. 제3항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D의 물리적 모델은 플라스틱 재료, 금속 재료, 및 세라믹 재료 중 적어도 하나로 제조되는 것인, 방법.
14. 방법으로서,
    가상 현실 용접 시스템 상에서 유저의 가상 현실 용접 진척도(progress)를 추적하는 단계;
    상기 가상 현실 용접 시스템 상에서의 상기 유저의 가상 현실 용접 진척도를 나타내는 유저 통계치의 전자 파일을 생성하는 단계;
    외부 통신 인프라를 통해, 상기 가상 현실 용접 시스템으로부터, 온라인 용접 게임을 제공하는 서버 컴퓨터로 상기 전자 파일을 전송하는 단계; 및
    상기 온라인 용접 게임이 상기 전자 파일을 판독하고 상기 전자 파일에서의 상기 유저 통계치에 기초하여 상기 온라인 용접 게임에 대한 상기 유저의 게임용 프로파일을 업데이트하는 단계
    를 포함하는, 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 유저 통계치는, 상기 가상 현실 용접 시스템 상에서 상기 유저가 성공적으로 수행한 용접 프로세스의 타입을 나타내는 데이터, 상기 가상 현실 용접 시스템 상에서 상기 유저가 성공적으로 마스터(master)한 용접 스킬의 타입을 나타내는 데이터, 및 상기 온라인 용접 게임을 통해 상환(redeem)될 수 있는, 상기 가상 현실 용접 시스템 상에서 상기 유저가 획득한 보상 포인트(reward point)를 나타내는 데이터 중 적어도 하나를 포함하고, 그리고/또는
    상기 유저의 상기 게임용 프로파일은, 상기 온라인 용접 게임에 참여하도록 상기 유저가 허락받은 용접 프로젝트의 타입 및 상기 온라인 용접 게임에서 수행하도록 상기 유저가 허락받은 용접 프로세스의 특정 타입 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 방법.

Images