提供组合的虚拟现实弧焊和三维(3d)观看的系统和方法【专利说明】提供组合的虚拟现实弧焊和三维(3D)观看的系统和方法[0001]本美国专利申请要求2009年7月10日递交的待审定美国专利申请序号12/501，257的优先权，并且是所述待审定美国专利申请的部分继续专利申请，所述待审定美国专利申请通过弓I用被全部并入本文，并且所述待审定美国专利申请要求2008年8月21日递交的美国临时专利申请序号61/090，794的优先权和权益。发明领域[0002]本发明涉及根据权利要求1的用于提供弧焊训练的系统以及根据权利要求7和11的用于提供弧焊训练的方法。某些实施方案涉及虚拟现实仿真。更特别地，某些实施方案涉及用于在仿真的虚拟现实环境或增强的现实环境中以立体3D传输格式使用实时焊缝熔池反馈和三维(3D)数据来提供弧焊训练的系统和方法。技术背景[0003]学习如何进行弧焊传统上需要许多小时的指导、训练和练习。存在可以进行学习的许多不同类型的弧焊和弧焊工艺。学员通常使用真实的焊接系统并且在真实的金属工件上执行焊接操作来学习焊接。这样的真实世界的训练会占用稀缺的焊接资源并耗尽有限的焊接材料。然而，近来使用焊接仿真的训练想法已经变得更加流行。一些焊接仿真经由个人电脑和/或经由互联网在线实现。可是，当前已知的焊接仿真往往被限于其训练重点(focus)。例如，一些焊接仿真将重点放于仅仅针对“肌肉记忆”的训练，这只不过是训练焊接学员如何握持和定位焊接工具。其他焊接仿真也仅是以有限的且常常为不实际的方式来将重点放于示出焊接工艺的视觉效果和音频效果，所述方式不给学员提供是真实世界焊接的高度表征的期望反馈。正是这种实际的反馈引导学员进行必要的调节以完成好的焊接。通过查看电弧和/或熔池而不是通过肌肉记忆来学习焊接。[0004]通过将这样的途径与如参照附图在本申请其余内容中阐述的本发明的实施方案进行比较，本领域技术人员将清楚常规的、传统的以及已提出的途径的其他限制和缺点。【
发明内容】[0005]本发明的目标是克服本文所提及的限制和缺点。这个问题通过根据权利要求1的用于提供弧焊训练的系统以及通过根据权利要求7和11的用于提供弧焊训练的方法来解决。本发明的进一步的实施方案是从属权利要求的主题。弧焊仿真已经被设计，所述弧焊仿真提供在虚拟现实空间中对具有实时熔融金属流动性特征以及吸热与散热特征的焊缝熔池的仿真。以立体3D传输格式的虚拟现实要件(elements)的显示也被提供。[0006]在本发明的实施方案中，虚拟现实焊接系统包括基于可编程处理器的子系统、空间追踪器、至少一个模拟焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够由所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统。系统能够在虚拟现实空间中仿真焊缝熔池，所述焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特性。系统进一步能够在显示装置上显示仿真的焊缝熔池，以描绘真实世界焊缝。基于学生表现，系统将显示评估的焊缝，所述评估的焊缝将是可接受的或显示具有缺陷的焊缝。[0007]—个实施方案提供系统，所述系统包括基于可编程处理器的子系统，所述基于可编程处理器的子系统被配置来生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间实时生成的虚拟焊件。系统还包括3D转换单元，所述3D转换单元被可操作地连接到基于可编程处理器的子系统并且被配置来以立体3D传输格式将仿真数据的至少一部分转换为3D数据，所述仿真数据表征虚拟焊件的至少一部分。系统进一步包括3D显示便利装置，所述3D显示便利装置被可操作地连接到3D转换单元并且被配置来接收来自3D转换单元的3D数据以及便利3D数据的立体表征的显示。3D显示便利装置可以是例如3D投影仪或者3D电视机。虚拟焊件的焊道部分可以由仿真的焊缝熔池产生，所述仿真的焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征，当仿真的焊缝熔池被移动来形成虚拟焊件的焊道部分时，提供仿真的焊缝恪池的实时流动至固化(fluidity-to-solidificat1n)的转变。系统可以还包括显示屏和3D眼镜，所述显示屏被可操作地连接到3D显示便利装置并且被配置来显示3D数据的立体表征，所述3D眼镜被配置来由使用者佩戴以将显示屏上的立体3D数据的表征作为3D空间中的3D图像来观看。系统可以进一步包括3D使用者界面，所述3D使用者界面可操作地接口连接到3D显示便利装置，并且被配置来允许使用者操控显示屏上的3D数据的立体表征的空间取向。仿真数据可以表征虚拟焊件的至少横截部分。[0008]一个实施方案提供方法，所述方法包括生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间实时生成的仿真的焊道，所述仿真的焊道具有实时焊道痕迹特征。仿真数据可以表征仿真的焊道的至少横截部分。方法还包括以立体3D传输格式将表征焊道的仿真数据转换为3D数据，以及显示3D数据的立体表征。仿真的焊道可以由仿真的焊缝熔池产生，所述仿真的焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征，当仿真的焊缝熔池被移动来形成仿真的焊道时，提供仿真的焊缝熔池的实时流动至固化的转变。显示3D数据的立体表征可以包括将3D数据的立体表征投影到显示屏上。显示3D数据的立体表征可以包括将3D数据的立体表征显示到3D电视机的显示屏上。方法可以进一步包括通过使用3D眼镜来观看3D数据的所显示的立体表征，所述3D眼镜被配置来由使用者佩戴。方法可以还包括操控3D数据的所显示的立体表征的空间取向。[0009]一个实施方案提供方法，所述方法包括生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间中的虚拟焊接环境。方法还包括以立体3D传输格式将仿真数据的一部分转换为3D数据，所述仿真数据表征虚拟焊接环境的一部分，以及显示3D数据的立体表征。虚拟焊接环境的部分可以包括仿真的焊条、仿真的焊接工具、仿真的焊件或者仿真的焊接试样中的一个或更多个。方法可以进一步包括操控3D数据的所显示的立体表征的空间取向。方法还可以包括通过使用3D眼镜来观看3D数据的所显示的立体表征，所述3D眼镜被配置来由使用者佩戴。可替换地，立体3D传输格式可以是自动立体格式，其中3D眼镜没有被用于观看。[0010]从以下的说明和附图将更完整地理解要求保护的本发明的这些和其他特点，以及本发明的图示说明的实施方案的细节。[0011]附图的简要说明[0012]图1图示说明在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练的系统的系统方框图的第一示例性实施方案；[0013]图2图示说明结合的仿真焊接控制台和图1的系统的观察者显示装置(ODD)的示例性实施方案；[0014]图3图示说明图2的观察者显示装置(ODD)的示例性实施方案；[0015]图4图示说明图2的仿真的焊接控制台的前部分的示例性实施方案，示出物理焊接使用者界面(WUI);[0016]图5图示说明图1的系统的模拟焊接工具(MffT)的示例性实施方案；[0017]图6图示说明图1的系统的桌台/底座(table/stand)(T/S)的示例性实施方案；[0018]图7A图示说明图1的系统的管焊接(pipewelding)试样(coupon)(WC)的示例性实施方案；[0019]图7B图示说明安装于图6的桌台/底座(T/S)的臂的图7A的管状WC;[0020]图8图示说明图1的空间追踪器(ST)的示例性实施方案的各种部件；[0021]图9A图示说明图1的系统的戴于面部的(face-mounted)显示装置(FMDD)的示例性实施方案；[0022]图9B为图9A的FMDD如何被固定在使用者的头部上的示意图；[0023]图9C图示说明安装于焊接头盔内的图9A的FMDD的示例性实施方案；[0024]图10图示说明图1的系统的基于可编程处理器的子系统(PPS)的子系统方框图的示例性实施方案；[0025]图11图示说明图10的PPS的图形处理单元(GPU)的方框图的示例性实施方案；[0026]图12图示说明图1的系统的功能方框图的示例性实施方案；[0027]图13为使用图1的虚拟现实训练系统的训练方法的实施方案的流程图；[0028]图14A-14B根据本发明的实施方案图示说明焊接像元(weldingpixel)(焊元(wexel))移置图(displacementmap)的概念；[0029]图15图示说明仿真于图1的系统中的平坦焊接试样(WC)的试样空间(couponspace)和焊缝空间(weldspace)的示例性实施方案；[0030]图16图示说明仿真于图1的系统中的拐角(T型接头)焊接试样(WC)的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案；[0031]图17图示说明仿真于图1的系统中的管焊接试样(WC)的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案；[0032]图18图示说明图17的管焊接试样(WC)的示例性实施方案；[0033]]图19A-19C图示说明图1的系统的双移置熔池模型的概念的示例性实施方案；[0034]图20图示说明在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练的系统的系统方框图的第二示例性实施方案；以及[0035]图21图示说明提供虚拟要件的立体3D观看的系统的系统方框图的示例性实施方案，所述虚拟要件，作为虚拟焊接环境的部分，使用图20的系统被生成。【具体实施方式】[0036]本发明的实施方案包括虚拟现实弧焊(VRAW)系统，所述虚拟现实弧焊系统包括基于可编程处理器的子系统、空间追踪器、至少一个模拟焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够被所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统。所述系统能够在虚拟现实空间中仿真具有实时熔融金属流动性和散热特征的熔池。所述系统还能够在所述显示装置上实时地显示所述仿真的熔池。当被显示时，所述仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征提供实时可视反馈给所述模拟焊接工具的使用者，允许所述使用者响应于所述实时可视反馈而实时地调节或保持焊接技法(即帮助使用者正确地学习焊接)。所显示的熔池是基于使用者的焊接技法和所选择的焊接工艺与参数而将会被形成于真实世界中的熔池的表征。通过观看熔池(例如形状、颜色、熔渣、大小、堆叠的币状体(stackeddimes))，使用者可以修正其技法来进行良好的焊接并确定被完成的焊接类型。所述熔池的形状响应于焊枪或焊条的运动。如本文所使用的，术语“实时”意指以与使用者在真实世界的焊接情景下将会感知和体验的相同的方式，在仿真的环境下及时感知和体验。此外，所述熔池响应于包括重力的物理环境的作用，允许使用者以各种位置(包括仰焊(overheadwelding))和各种管焊接角度(例如1G、2G、5G、6G)逼真地练习焊接。如本文所使用的，术语“虚拟焊件”指的是存在于虚拟现实空间中的仿真的焊接部件。例如，如本文所描述的已经被虚拟焊接的仿真的焊接试样是虚拟焊件的实施例。[0037]图1图示说明系统100的系统方框图的示例性实施方案，系统100在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练。系统100包括基于可编程处理器的子系统(PPS)110。系统100进一步包括可操作地连接到PPS110的空间追踪器(ST)120。系统100还包括可操作地连接到PPS110的物理焊接使用者界面(WUI)130，以及可操作地连接到PPS110和ST120的戴于面部的显示装置(FMDD)140。系统100还包括可操作地连接到PPS110的观察者显示装置(ODD)150。系统100还包括可操作地连接到ST120和PPS110的至少一个模拟焊接工具(MffT)160。系统100还包括桌台/底座(T/S)170，以及能够被附接到T/S170的至少一个焊接试样(WC)180。根据本发明可替换的实施方案，提供模拟气罐(未示出)，所述模当前第1页1 2 3 4 5 6