TWI767420B - 焊接模擬訓練系統 - Google Patents

Abstract

一種焊接模擬訓練系統，包含一用以控制焊接電流強度的電焊機模擬裝置、一電連接於該電焊機模擬裝置而用以模擬焊接動作的焊槍模擬裝置，及一防護裝置。該防護裝置包括一面罩，及一設置於該面罩上且能對準一操作位置的擴增實境介面，該擴增實境介面與該電焊機模擬裝置及焊槍模擬裝置通訊連接。透過上述設計完成一套虛擬焊接系統，此系統適用於工業廠房的職工訓練與教育實習單位，增加焊接學習的練習管道，同時也能避免實際操作焊接的燒傷、燙傷與強光刺激的眼部損害等危險因子。

Description

焊接模擬訓練系統

本發明是關於一種訓練設備，特別是指一種焊接模擬訓練系統。

焊接工作對於鋼鐵業、汽車業、造船業等民生與工業議題相當重要。近年氬焊、電焊等焊接專業人員發生斷層，產業界求才若渴，但此類人才培訓不易，且危險性及設備成本也相當高，學校技職體系對於此相關課程訓練較為稀少，對於企業的職工訓練也提高了不少成本及風險。

因此，對於校園與工廠中的焊接訓練作業來說，如何產製一套有效、安全、低成本的虛擬焊接訓練系統，為亟需努力的目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種有效、安全、低成本的焊接模擬訓練系統。

本發明焊接模擬訓練系統，包含一用以控制焊接電流強度的電焊機模擬裝置、一電連接於該電焊機模擬裝置而用以模擬焊接動作的焊槍模擬裝置，及一防護裝置。該防護裝置包括一面罩，及一設置於該面罩上且能對準一操作位置的擴增實境介面，該擴增實境介面與該電焊機模擬裝置及焊槍模擬裝置通訊連接。

本發明的另一技術手段，是在於該電焊機模擬裝置包括一外殼、一設置於該外殼上的啟動開關，及一設置於該外殼上的電流調整鈕。

本發明的另一技術手段，是在於該焊槍模擬裝置包括一槍體、一設置於該槍體上的控制按鈕，及一設置於該槍體前端的焊接準心。

本發明的另一技術手段，是在於該焊槍模擬裝置還包括一設置於該槍體前端且由該控制按鈕控制的發光件。

本發明的另一技術手段，是在於該電焊機模擬裝置還包括一設置於該外殼內的打氣幫浦，該焊槍模擬裝置還包括一連通該打氣幫浦的輸氣管，該控制按鈕可控制該打氣幫浦作動，而使該輸氣管往該槍體前端出氣。

本發明的另一技術手段，是在於該擴增實境介面包括一焊接場景偵測模組、一焊槍辨識模組，及一焊點特效控制模組。

本發明的另一技術手段，是在於該焊點特效控制模組可以對應該電流調整鈕及該控制按鈕呈現焊接結果。

本發明的另一技術手段，是在於該電焊機模擬裝置還包括一設置於該外殼內的音效模組。

本發明的另一技術手段，是在於該焊接模擬訓練系統還包含一焊點品質評分裝置，包括一與該擴增實境介面通訊連接的微控制器、一電連接該微控制器的影像處理模組，及一用以呈現各種資訊的使用者介面。

本發明的另一技術手段，是在於該影像處理模組可以對焊點的品質進行評分。

本發明之功效在於，透過上述設計完成一套虛擬焊接系統，此系統適用於工業廠房的職工訓練與教育實習單位，增加焊接學習的練習管道，同時也能避免實際操作焊接的燒傷、燙傷與強光刺激的眼部損害等危險因子。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在進行詳細說明前應注意的是，類似的元件是以相同的編號作表示。

參閱圖1至圖3，為本發明焊接模擬訓練系統之較佳實施例，包含一用以控制焊接電流強度的電焊機模擬裝置2、一電連接於該電焊機模擬裝置2而用以模擬焊接動作的焊槍模擬裝置3、一防護裝置4，及一焊點品質評分裝置5。

該電焊機模擬裝置2包括一外殼21、一設置於該外殼21上的啟動開關22、一設置於該外殼21上的電流調整鈕23、一設置於該外殼21內的打氣幫浦24，及一設置於該外殼21內的音效模組25。

該焊槍模擬裝置3包括一槍體31、一設置於該槍體31上的控制按鈕32、一設置於該槍體31前端的焊接準心33、一設置於該槍體31前端且由該控制按鈕32控制的發光件34，及一連通該打氣幫浦24的輸氣管35。該控制按鈕32可控制該打氣幫浦24作動，而使該輸氣管35往該槍體31前端出氣。

該防護裝置4包括一面罩41，及一設置於該面罩41上且能對準一操作位置的擴增實境介面42，該擴增實境介面42與該電焊機模擬裝置2及焊槍模擬裝置3通訊連接。該擴增實境介面42包括一焊接場景偵測模組421、一焊槍辨識模組422，及一焊點特效控制模組423。該焊點特效控制模組423可以對應該電流調整鈕23及該控制按鈕32呈現焊接結果。

該焊點品質評分裝置5包括一與該擴增實境介面42通訊連接的微控制器51、一電連接該微控制器51的影像處理模組52，及一用以呈現各種資訊的使用者介面53。該影像處理模組52可以對焊點的品質進行評分，而該使用者介面53是一顯示幕，用以顯示各種資訊。

要特別說明的是，該電焊機模擬裝置2、該焊槍模擬裝置3、該防護裝置4的擴增實境介面42，及該焊點品質評分裝置5之間是可以透過樹莓派嵌入式軟體界面進行通訊連接而能進行訊息之傳輸，由於上述訊息傳輸之方式為本領域中具有通常知識者所能理解，亦非本案重點，不贅述其細節。

以下內容說明本較佳實施例的使用方式。要說明的是，本案是以一鋁板11作為被焊接物，並以該焊槍模擬裝置3在該鋁板11上操作，模擬焊接過程。另外，使用Unity軟體作為本案之擴增實境介面42，於本實施例中，該擴增實境介面42是設計成一APP並安裝於一行動裝置12中，而該擴增實境介面42即是利用該行動裝置12的觸控螢幕進行操控，行動裝置12是安裝於面罩41上，並以行動裝置12的鏡頭進行影像之取得。

首先，開啟該電焊機模擬裝置2的啟動開關22，並轉動該電流調整鈕23，使對應的電流值顯示於該外殼21及該使用者介面53。接著，操作者一手握持該焊槍模擬裝置3的槍體31，另一手移動該面罩41，帶動行動裝置12的鏡頭對準該槍體31，使該槍體31及該鋁板11出現於該擴增實境介面42內。

該擴增實境介面42的焊接場景偵測模組421、焊槍辨識模組422，及焊點特效控制模組423具有以下功能：

一、地板偵測功能(Vuforia Ground Plane)，精準偵測鋁板11(被焊接物)的平面位置後，將焊接特效精準地放置在鋁板11的平面上。地板偵測具有檢測和追蹤水平面、錨點創建和追蹤、六自由度追蹤的功能。水平面的檢測方式為：透過鏡頭的拍攝畫面，了解環境中的基本幾何圖形，並檢測出環境的水平面。錨點是世界空間中的固定位置，透過六自由度追蹤達成隨著世界空間的增長和地面平面的變化而不斷進行追蹤。

二、影像目標功能(Targets Vuforia Image)，檢測鋁板11的三維空間位置。透過鏡頭拍攝基準點，拍攝到的影像特徵與先前拍攝好的數據進行比對後得知影像位置。使用影像目標時，其影像建議使用尖銳度高、輪廓清楚細節豐富性多的影像以及圖形對比度和銳利調整使圖片細節更清楚，透過辨識影像的特徵來檢測及追蹤影像所在位置。使用者將拍攝好的影像上傳至目標管理器(Vuforia Target Manager)進行辨識影像的尖銳、錐形與輪廓的細節，再匯集成數據檔案，再利用攝影鏡頭拍攝到的特徵與已知的影像特徵數據進行對比，偵測並追蹤影像。因此，鋁板11與該槍體31的周緣或本體建議貼上具有尖銳邊緣的幾何圖案以利辨識與追蹤。

三、物件目標功能(Vuforia Object Targets)，掃瞄該槍體31的特徵點，取得到特徵數據檔案匯入Unity形成的三維方塊，將該焊接準心33設置至三維方塊內，使該焊接準心33能精準的顯示在槍體31前方。透過鏡頭拍攝到的焊槍特徵與物件特徵數據進行比對，並找到焊槍的所在位置。使用Vuforia的物件掃描器(Vuforia Object Scanner)，掃描物理3D物件來建立一個物件目標，將物件目標放上掃描用網格影像進行掃描物件的特徵點，並將特徵檔上傳至目標管理器(Vuforia Target Manager)，進行匯集成數據檔案，透過鏡頭拍攝到的物件特徵與已知的物件特徵數據進行對比，偵測並追蹤物件。

接下來，操作者按下該焊槍模擬裝置3的控制按鈕32，進行焊接作業之模擬動作。該控制按鈕32是一微動開關，可以同時觸發該發光件34，模擬焊接時會發出的強光，該音效模組25也會同步產生焊接音效。另外，該控制按鈕32也會同時觸發該電焊機模擬裝置2的打氣幫浦24，將氣體由該輸氣管35噴發，模擬焊接時氬氣的噴氣效果。該焊點特效控制模組423可以依照該電流調整鈕23的數值、該控制按鈕32按壓的時間長短及該焊接準心33的移動方位，於該鋁板11上呈現相對應的焊接特效，例如：單點焊接、焊接點的大小與顏色深淺，魚鱗焊等等。其中，電流數值越大，該控制按鈕32按壓的時間越長，焊接點就會隨著擴大。

在操作者進行焊接模擬的過程中，還可以同時進行焊接品質的評分作業。透過該擴增實境介面42之焊點特效控制模組423以及該焊點品質評分裝置5的影像處理模組52，取得該鋁板11的左上、右上、左下、右下四個角的世界座標，並將多個焊點座標依照X軸值小至大排序過後，依序將每一焊接點的世界座標的X值與Y值透過下列公式計算與前一個焊接點的距離：

配合參閱圖4，其中，

為兩相鄰焊接點的圓心之間的距離，r則為焊接點之半徑。判斷流程包括：

步驟一：取得

後判斷是否大於焊接點的直徑，若大於焊接點直徑則表示焊接點之間不夠密合而給予扣分。

步驟二：計算所有焊接點的直徑相對於鋁板11的寬度比，低於內建的門檻值則給予扣分，避免只焊接1~2個點也能得到高分的情況。

步驟三：定義鋁板11中心的整條X軸為焊接基準，若是焊接點偏移焊接基準，超過內建的門檻值則扣分。最後將上述三個步驟的評分進行加總後計算出最終分數，並於該使用者介面53上呈現該鋁板11上的模擬焊接結果以及最終分數，讓操作者了解本次的訓練成果。

透過上述設計，本發明焊接模擬訓練系統，結合了體感互動、擴增實境，與虛擬實境等元素，只要於行動裝置12中安裝該擴增實境介面42，再將行動裝置12裝設於該面罩41上，並配合該電焊機模擬裝置2與該焊槍模擬裝置3就能進行焊接模擬的練習。操作過程簡易上手，且充份提供強光、噴氣等紮實的體感回饋，又能避免實際焊接的燒燙傷與強光刺激等危險因子，模擬的成果可以再由評分機制提供客觀的分數評比，提升學習效果，整體設備的成本亦遠低於市面上的焊接模擬設備，確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11             鋁板 12             行動裝置 2               電焊機模擬裝置 21             外殼 22             啟動開關 23             電流調整鈕 24             打氣幫浦 25             音效模組 3               焊槍模擬裝置 31             槍體 32             控制按鈕 33             焊接準心 34             發光件 35             輸氣管 4               防護裝置 41             面罩 42             擴增實境介面 421           焊接場景偵測模組 422           焊槍辨識模組 423           焊點特效控制模組 5               焊點品質評分裝置 51             微控制器 52             影像處理模組 53             使用者介面

圖1是一示意圖，為本發明焊接模擬訓練系統之較佳實施例； 圖2是一示意圖，說明該較佳實施例中，一焊槍模擬裝置的細部組成； 圖3是一架構圖，說明各元件之間的連結關係；及 圖4是一示意圖，說明評分標準。

11             鋁板 12             行動裝置 2               電焊機模擬裝置 21             外殼 22             啟動開關 23             電流調整鈕 24             打氣幫浦 3               焊槍模擬裝置 31             槍體 32             控制按鈕 4               防護裝置 41             面罩 42             擴增實境介面 5               焊點品質評分裝置 53             使用者介面

Claims (4)

1. 一種焊接模擬訓練系統，可供操作者進行複數焊點焊接模擬訓練，其包含：一電焊機模擬裝置，用以控制焊接電流強度，該電焊機模擬裝置包括一外殼、一設置於該外殼上的啟動開關、一設置於該外殼上的電流調整鈕，及一設置於該外殼內的打氣幫浦；一焊槍模擬裝置，電連接於該電焊機模擬裝置，用以模擬焊接動作，該焊槍模擬裝置包括一槍體、一設置於該槍體上的控制按鈕、一設置於該槍體前端的焊接準心、一設置於該槍體前端且由該控制按鈕控制的發光件，及一連通該打氣幫浦的輸氣管，該發光件的輸出光線用於模擬焊接時發出的強光，該控制按鈕可控制該打氣幫浦作動，而使該輸氣管往該槍體前端出氣；一防護裝置，包括一面罩，及一設置於該面罩上且能對準一操作位置的擴增實境介面，該擴增實境介面與該電焊機模擬裝置及焊槍模擬裝置通訊連接，該擴增實境介面包括一焊接場景偵測模組、一焊槍辨識模組，及一焊點特效控制模組；及一焊點品質評分裝置，包括一與該擴增實境介面通訊連接的微控制器、一電連接該微控制器的影像處理模組，及一用以呈現各種資訊的使用者介面，並依據下列公式來計算相鄰兩焊點之間的距離：

   

   其中，

   

   為該相鄰兩焊點之圓心的距離，(x ₁ ,y ₁)及(x ₂ ,y ₂)為該相鄰兩焊點的座標。
2. 如請求項1所述的焊接模擬訓練系統，其中，該焊點特效控制模組可以對應該電流調整鈕及該控制按鈕呈現焊接結果。
3. 如請求項1所述的焊接模擬訓練系統，其中，該電焊機模擬裝置還包括一設置於該外殼內的音效模組。
4. 如請求項1所述的焊接模擬訓練系統，其中，該影像處理模組可以對焊點的品質進行評分。

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