用于实时仿真的虚拟现实焊接训练环境的学习管理系统的制作方法
【专利说明】用于实时仿真的虚拟现实焊接训练环境的学习管理系统
[0001 ]该美国专利申请要求于2013年9月11日提交的美国临时专利申请序列号61/876，352和于2014年2月26日提交的美国专利申请序列号14/190,812的权益和优先权，这些专利申请以其全文通过引用结合在此。
技术领域
[0002]某些实施方案涉及虚拟现实仿真和训练。更特别地，某些实施方案涉及用于在学员在实时仿真的虚拟现实焊接训练环境中学习如何焊接时追踪学员的进展的系统和方法。再更特别地，本发明涉及分别根据权利要求1和10的序言的一种学习管理系统以及一种方法。
背景
[0003]学习如何弧焊传统上需要很长时间的指导、训练和实习。有可以学习的许多不同类型的弧焊和弧焊工艺。通常，学员使用真实的焊接系统并且对真实的金属片执行焊接操作来学习焊接。这样的真实世界训练会占用稀缺的焊接资源并且消耗有限的焊接材料。然而，最近，使用焊接仿真的训练的想法已经变得越来越流行。特别是，在虚拟现实焊接环境中训练已获得动力。可以在学员焊工的虚拟现实焊接训练会话期间生成显著量的数据。具有处于不同水平的训练的多个班级中的多个学员的焊接指导人员可以发现追踪学员的进展并且整理该学员的相关反馈非常具有挑战性。因此，期望提供系统和方法，以帮助焊接指导人员和学员管理与在虚拟现实焊接环境中的指导和学习相关联的数据。
[0004]通过常规、传统和所提出的方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施方案相比较，这些方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。
概述
[0005]本发明的实施方案提供用于在学员在实时仿真的虚拟现实焊接训练环境中学习如何焊接时追踪学员的进展的系统和方法，并且本发明的实施方案提供系统和方法，以帮助焊接指导人员和学员管理与在虚拟现实焊接环境中的指导和学习相关联的数据。
[0006]本发明的一个实施方案提供一种学习管理系统(LMS)。所述LMS包括:至少一个虚拟现实焊接系统，所述至少一个虚拟现实焊接系统被配置为用于响应于至少一个学员在所述至少一个虚拟现实焊接系统上执行至少一个虚拟焊接工艺而生成学员训练数据;数据库服务器系统，所述数据库服务器系统被配置为用于接收和存储所述学员训练数据；以及个人计算机，所述个人计算机具有安装在其上的学习管理软件应用程序(LMSA)，其中，所述学习管理软件应用程序(LMSA)包括被配置为用于在所述个人计算机上执行以执行以下中的一个或多个的可执行计算机指令:以有线方式或无线方式中的至少一个从所述至少一个虚拟现实焊接系统下载所述学员训练数据到所述个人计算机;经由外部通信基础设施从所述个人计算机向所述数据库服务器系统上传所述学员训练数据、分析结果和报告；以及经由外部通信基础设施从所述数据库服务器系统下载所述学员训练数据到所述个人计算机。所述学习管理系统还可以包括外部通信基础设施，例如，因特网、蜂窝电话通信网络、WiFi通信网络或卫星通信网络。所述LMSA可以进一步包括被配置为用于在所述个人计算机上执行以分析所述学员训练数据并生成所述分析结果和所述报告的可执行计算机指令。所述LMSA可以进一步包括被配置为用于在所述个人计算机上执行以基于所述学员训练数据的至少一部分生成至少一个焊接学员的至少一个等级的可执行计算机指令。所述LMSA可以进一步包括被配置为用于在所述个人计算机上执行以基于所述学员训练数据的至少一部分标识焊接学员有麻烦掌握的任何焊接技能的可执行计算机指令。所述LMSA可以进一步包括被配置为用于在个人计算机上执行以基于所述学员训练数据的至少一部分比较两个或更多个焊接学员的焊接表现的可执行计算机指令。所述LMSA可以为焊接学员和焊接指导人员提供指导焊接课程和材料。所述学员训练数据可以包括与焊接参数相关的信息，所述焊接参数包括在虚拟焊接工艺期间受焊接学员的影响的接触末端到工件距离、焊接角度、行进角度和行进速度中的至少一个。所述学员训练数据可以包括与以下中的至少一个相关的信息:焊接学员姓名、由焊接学员执行的虚拟焊接工艺的日期和时间、在虚拟焊接工艺期间使用的默认公差、基于焊接过程规范(WPS)的技法参数评分、焊接行程编号和每个行程的焊接评分、焊接评分行程的平均值、总评分、所使用的焊接工艺和技法、接缝配置和位置、不连贯性和百分比、每个接缝配置完成的焊接的数量、用于投资回报率报告的数据、学员电弧时间、学员材料使用、学员仿真器时间以及虚拟现实破坏性试验的结果。
[0007]本发明的一个实施方案提供一种方法。所述方法包括:使用具有安装在其上的学习管理软件应用程序(LMSA)的个人计算机访问数据库服务器系统;使用所述LMSA从所述数据库服务器系统下载学员训练数据到所述个人计算机，其中，所述学员训练数据从在一个或多个虚拟现实焊接系统上执行的一个或多个虚拟焊接工艺获得；以及使用所述LMSA分析所述学员训练数据以确定与所述学员训练数据相关联的一个或多个焊接学员的焊接表现。所述方法可以进一步包括使用所述LMSA来做以下中的一个或多个:从列表中选择分级的接缝配置来为班级创建等级簿;输入不是直接从虚拟现实焊接系统获得的焊接项目和任务以进行数据操纵;对数据应用定价以确定成本节约；按班级/周期/转换中的一个或多个组织学员数据;测量两个焊接练习或时间点之间的学员进步;基于由焊接指导人员输入的截止评分生成通过/失败指示;给针对焊接学员的报告添加表现评价;生成报告单并选择项目以包括或不包括在所述报告单中；按焊接学员、焊接班级或时间框架中的一个或多个生成可打印的报告;将最终的焊接班级结果归档到所述数据库服务器系统；以及创建和追踪在焊接练习上表现出确定的水平的焊接学员获得的虚拟认证。所述方法还可以包括:使用所述LMSA输入在第一学员焊工使用真实世界焊接机器执行的真实世界焊接工艺期间生成的真实世界焊接数据；以及使用所述LMSA将所述真实世界焊接数据与同所述第一学员焊工相关联的所述学员训练数据的至少一部分进行比较。
[0008]所要求保护的发明的这些和其他特征以及所要求保护的发明的图示说明的实施方案的细节从后面的说明、附图以及权利要求书将会被更加全面地理解。
附图简要描述
[0009]图1图示说明在实时虚拟现实环境中提供弧焊训练的系统的系统方框图的示例性实施方案；
[0010]图2图示说明图1的系统的组合的仿真的焊接控制台和观察者显示装置(ODD)的示例性实施方案；
[0011]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；
[0012]图4图示说明图2的仿真的焊接控制台的前部的示例性实施方案，其示出了物理焊接使用者界面(WUI);
[0013]图5图示说明图1的模拟焊接工具(MWT)的示例性实施方案；
[0014]图6图示说明图1的系统的桌台/底座(T/S)的示例性实施方案；
[0015]图7A图示说明图1的系统的管焊接试样(WC)的示例性实施方案；
[0016]图7B图示说明安装在图6的桌台/底座(TS)的臂上的图7A的管WC;
[0017]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元件；
[0018]图9A图示说明图1的系统的戴于面部的显示装置(FMDD)的示例性实施方案；
[0019]图9B是图9A的FMDD如何固定在使用者的头部的图示说明；
[0020]图9C图示说明安装在焊接头盔内的图9A的FMDD的示例性实施方案；
[0021]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；
[0022]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；
[0023 ]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；
[0024]图13是使用图1的虚拟现实训练系统的训练方法的实施方案的流程图；
[0025]图14图示说明虚拟现实焊接系统的实施方案；
[0026]图15图示说明为平板设备的个人计算机的实施方案；
[0027]图16图示说明图15的平板设备的示例性实施方案的示意方框图；
[0028]图17图不说明学习管理系统(LMS)的实施方案的不意方框图；
[0029]图18图示说明学习管理软件应用程序(LMSA)的指导人员主页的屏幕截图的实施方案;并且
[0030]图19图示说明学习管理软件应用程序(LMSA)的学员主页的屏幕截图的实施方案。 详细描述
[0031]首先，本文描述虚拟现实弧焊(VRAW)系统的实施方案以将在虚拟现实焊接环境中训练的想法放入上下文中。随后，本文在从一个或多个VRAW系统(或类似的虚拟现实焊接系统)收集数据并且存储和分析该数据的上下文中描述学习管理系统(LMS)。该数据可以代表由学员焊工在VRAW系统上执行的仿真的焊接操作，并且数据的分析可以由例如焊接指导人员发起，以追踪学员的进展并向学员焊工提供恰当的反馈。
虚拟现实弧焊系统
[0032]本发明的实施方案提供了一个或多个虚拟现实弧焊(VRAW)系统，每个系统具有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。所述仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征在被显示时向模拟焊接工具的使用者提供实时视觉反馈，从而允许使用者响应于实时视觉反馈而实时调节或维持焊接技法(即，帮助使用者学习正确地焊接)。所显示的熔池代表基于使用者的焊接技法和所选择的焊接工艺和参数而将在真实世界中形成的熔池。通过观看熔池(例如形状、颜色、熔渣、大小、堆积币状体)，使用者可以改变他的技法以进行良好的焊接并且确定正在进行的焊接的类型。熔池的形状响应于焊枪或棒的移动。如本文所使用的，术语“实时”意指以与使用者在真实世界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，熔池响应于物理环境包括重力的影响，从而允许使用者在各种位置实际地实习焊接，包括仰焊及各种管焊接角度(例如16、26、56、66)。该系统进一步能够保存与用于学员焊工的仿真的虚拟现实焊接会话相关联的数据。