虛擬焊接訓練技術研究進展

謝本凱， 張笑笑， 蔡水涌， 周強

(1.鄭州航空工業管理學院，鄭州 450046；2.武漢理工大學，武漢 430070)

0 前言

作為將2塊金屬連接起來的基本方法之一，焊接是現代工業的一個關鍵環節，具有不可替代的作用和地位。它被廣泛應用于造船、汽車制造及航空航天等領域，是影響產品質量和工業產出的關鍵因素。但是隨著經濟的快速發展與結構調整，國內一些發達地區出現了技術工人用工荒的現象，在焊接生產領域則表現為焊接工人的整體數量下降，并且高級焊工所占比例也在減少。究其原因，一為國內經濟進入“新常態”，加之各種自動化焊接和智能機器人應用越來越廣，對人力焊接的需求降低導致焊工整體數量的減少[1]，但目前最先進的焊接機器人還遠未達到替代一個初級水平焊工在復雜工況條件下對焊接過程的綜合控制能力；二為焊接專業的理論性強，學習枯燥無味，焊接操作的機械重復性等培訓因素導致高級焊工培養周期長，中途棄學率高[2]。這種現象給傳統的焊接培訓帶來了挑戰，如何調整焊接行業人才結構，提升焊工隊伍整體素質，從而給予中國成為穩定的制造強國提供人才支撐，是一項十分重要且緊迫的任務。

虛擬現實技術的發展為焊接培訓領域帶來了新的思路-虛擬焊接訓練[3]。隨著現代計算機與傳感設備的發展，強大的個人計算機性能已經可以很好的模擬真實焊接過程。高性能計算機、低成本位置跟蹤器及立體顯示設備的發展使得基于仿真訓練的成本大大減少[4]，因此虛擬焊接訓練技術已成為培訓焊工的另一種方法。虛擬焊接訓練具有損耗低、無污染的特點，可提高師資培訓效率，并能使焊接教學更加生動、有趣。總之，虛擬焊接訓練技術作為新興的焊接培訓方法相較傳統培訓具有諸多優勢，通過深入研究虛擬焊接訓練相關的各項技術，對于提高焊接訓練效果，具有重要的研究意義和應用價值。

針對虛擬焊接訓練技術中的關鍵技術研究，企業及科研院所不斷提出新的解決方案，同時也開發出不少相關產品[5-12]。文中首先介紹了現今的焊接訓練系統及其主要構成。然后，對虛擬焊接訓練中的立體顯示技術、焊接熔池形態建模方法、多目標跟蹤技術、力反饋技術等多項關鍵技術進行詳細介紹。最后，對文章進行總結，并對虛擬焊接訓練技術的未來研究方向進行了展望。

1 焊接訓練系統

自從焊接這一金屬加工工藝成為制造業中重要的加工手段后，人們為了培訓更多專業焊接技能人才發明了很多焊接培訓方法，而這些培訓方法從時間上看經歷了以下3個階段的發展：①基于手勢訓練的機械傳動式焊接訓練設備，如80年代陳滋揚等人[13]發明了一種用于教育演示的焊接培訓裝置，利用電機帶動卷筒拉動鋼絲繩從而可以模擬焊條的熔化；②基于PLC的焊接訓練設備，如林躍明等人[14]發明了一種仿真電焊機，該仿真電焊機可模擬電焊過程中的弧光，也可模擬電焊條的回縮；③基于虛擬現實的焊接訓練系統，即通過計算機構建出一個虛擬的三維圖形空間，結合位置跟蹤器、立體顯示設備(一般為頭戴式顯示器(HMD))、多功能傳感器和控制器能夠使用戶自然地與該虛擬空間進行交互，并在此空間內進行虛擬焊接訓練，從而積累焊接操作經驗，其系統結構如圖1所示。

圖1 虛擬焊接訓練系統架構圖

總結焊接訓練技術的發展，其本質是追求用戶操作的沉浸感，以提升用戶的培訓效果。針對焊接訓練，這種培訓效果主要是指培養學員的焊接經驗，這種經驗是學員通過長期操作焊槍完成大量不同工況條件的焊接任務所形成的一種條件反射行為[15]。因此，焊接經驗的本質就是學員與熔池的動態交互行為，即為虛擬焊接訓練的研究重點內容。

由于虛擬焊接訓練系統是由多種技術集合而成的系統集成，所以每一項關鍵技術對于系統的綜合使用效果都起著決定性作用。對于虛擬焊接訓練系統來說，其關鍵技術包括立體顯示技術、焊接熔池形態仿真、多目標跟蹤技術、力反饋技術等。

虛擬現實技術的人體感知、人機交互等特性使得它很天然的跟教育培訓領域緊密結合[16]，相比于飛機、手術等虛擬訓練系統，虛擬焊接訓練方面的研究仍處于起步階段，但也不乏有一些產品或原型機問世。以下列舉部分代表性虛擬焊接訓練系統，見表1。

表1 部分代表性虛擬焊接訓練系統

現今，隨著計算機性能的大幅提升及虛擬現實各項技術的不斷提高，越來越多的企業及科研院所推出了各式各樣的虛擬焊接訓練系統，其系統功能及性能也日趨完善及提高，但整體來說，對于虛擬焊接訓練技術的研究還處于起步階段，當前的研究還存在許多不足，包括：①現有系統的開發對焊接熔池形態仿真的研究皆以焊后靜態仿真為主，對于真實焊接中的熔池流體行為及固液相變現象未有考慮，導致虛擬焊接訓練中人與熔池動態交互行為無法開展，從而限制了系統整體的沉浸感;②焊槍空間位姿定位精度較差。因在焊接過程中，學員對于焊槍的位姿狀態非常敏感，因而要求焊槍的空間定位精度較高;③未提供有效力反饋的功能。焊接過程中不同的焊接工藝參數會導致焊槍受到不同擾動形式。當前的虛擬焊接訓練系統還未對此產生的力反饋進行有效的模擬;④對特定聲音、弧光、熱輻射、氣味等焊接過程中特有現象的仿真還較少有研究。

2 立體顯示技術

視覺是人感知外部環境最為重要的途徑，所以對于虛擬焊接訓練系統來說，立體顯示技術是決定系統沉浸感高低的關鍵技術之一。

由于立體顯示技術對于基于虛擬現實的訓練系統具有通用性的特征，不管是虛擬手術、虛擬駕駛，亦或是虛擬裝配、虛擬噴涂，都會使用立體顯示技術來展示虛擬場景，所以學術界對于立體顯示技術的研究更為關注。

現今，立體顯示技術主要的顯示載體包括OLED顯示器、洞穴(CAVE)沉浸系統、頭戴式顯示器(HMD)、全息投影、快閃3D眼鏡等，對于虛擬焊接訓練系統來說，現有開發的系統中用到了OLED 顯示器及頭戴式顯示器2種立體顯示方式。

OLED顯示器，在虛擬焊接訓練系統的配置中通常為一塊平面的顯示器，搭配主動式3D眼鏡，從而可使學員觀看到OLED顯示器上三維的虛擬焊接場景，學員使用VR焊槍在OLED顯示器的特定位置進行焊接操作從而產生虛擬的焊縫效果。如sMIG[6]采用三星SyncMaster 2233RZ顯示器，并結合nVidiaGeForce3D視覺主動眼鏡，從而使學員產生三維的視覺效果。這種顯示方式成本低，技術難度不高，但也存在視場角過少，無深度感等缺點。

頭戴式顯示器，當前絕大多數的虛擬焊接訓練系統皆為頭戴式顯示方式，它通常與頭部運動跟蹤或眼睛跟蹤并行工作，以增強真實感。HMD通常既是輸入設備又是輸出設備。輸入可以包括頭部運動跟蹤傳感器、眼球運動跟蹤、陀螺儀和加速度計。輸出則是針對2只眼睛設置有2個圖形顯示器，其技術發展歷程如圖2所示。此種顯示方式可提供較大的視場角，同時可追蹤頭部的空間位姿從而提供人-機視野的聯動，現有虛擬焊接訓練系統所使用的頭戴式顯示器大多為企業開發的商用頭戴式顯示設備，包括HTC Vive，PlayStation VR，Oculus Quest，Gear VR等品牌產品。

圖2 頭戴式顯示器(HMD)發展歷程

3 焊接熔池形態建模方法

焊接熔池形態，是熔池的幾何形狀、熔池中的流體動力學狀態、熔池的受熱受力情況等熔池行為的統稱。在焊接訓練過程中，學員可通過觀察熔池形態變化調整焊槍運動姿態實現焊接熔池狀態的良好控制，從而獲得高質量焊縫。因為學員在焊接訓練過程中通過面罩能夠清晰的看到焊接熔池的生成及形態變化，其在訓練過程中的視覺感知皆會聚焦于熔池。對于學員焊接經驗的訓練也是在于根據焊接熔池形態的變化調整自身焊接姿勢以達到高質量熔池形態的目的。如虛擬焊接訓練中熔池動態模型與真實訓練不符，則會讓學員產生不真實的感覺或積累不正確的焊接經驗，從而導致系統沉浸感及訓練效果。根據現有的焊接熔池建模研究，其方法大致可以分為4大類：①映射訓練模型；②簡單模型；③有限元模型；④光滑粒子流體動力學模型。

映射訓練模型，是焊接熔池建模研究中最基本的研究工具之一，例如：多元回歸模型，馬可等人[21]以焊接電流、焊接速度、坡口間隙及坡口角度4個焊接工藝參數建立多元回歸模型，以探究這4個參數對焊縫背面熔寬的影響規律。響應曲面模型，石璟等人[22]利用響應面法建立了焊縫裝配質量三要素與焊接接頭強度及斷后伸長率之間的數學模型，分析了焊縫間隙和焊縫錯縫量對焊縫接頭性能的影響情況。神經網絡模型，美國林肯電氣公司與VRSim公司推出虛擬焊接訓練系統VRTEX360，其焊接熔池建模方法運用神經網絡法根據學員在焊接操作過程中的焊接速度、焊接角度、焊接電流、電弧電壓等43個參數來進行焊縫幾何尺寸和焊縫質量的預測，如圖3a所示；楊嘉佳等人[23]通過圖像處理技術獲得熔寬、半長、面積、周長和拋物線系數等能反映熔透狀態的熔池特征參數，并在此基礎上建立了基于BP神經網絡的鋁合金雙絲焊熔透識別模型。

簡單模型，此種方法將熔池橫截面形狀固定為某一特定形狀或簡化處理，在現有的虛擬焊接訓練系統中應用最為廣泛。例如：White等人[6]在開發的虛擬焊接系統sMIG中將平板焊接的焊縫橫截面近似為一種半橢圓形狀，通過焊接溫度場模型計算出熔池的熔寬，從而確定焊縫的余高，如圖3b所示。Suryakumar等人[24]在對多層焊縫建模中給出了搭接焊的焊縫幾何尺寸數學模型。張建勛等人[19]開發的HTS焊接訓練系統，其焊縫幾何尺寸模型采用高斯分布的模型為基礎，以焊板上的電弧中心為基準點，向四周區域輻射，增加四周區域點的高度Y坐標，以模擬焊縫生長的過程，Y坐標的生長量即為模擬焊縫的余高。

有限元模型，作為發展較為成熟的仿真技術，是目前焊接熔池形態仿真領域中最常用的研究模型。利用有限元分析(FEA)建立焊接熔池形態模型的研究工作已有很多[25-26]。SYSWELD和WELDSIM就是2個專門用來建立焊接工藝模型的有限元軟件包。專用的FEA軟件包，比如SYSWELD，和其他通用FEA軟件包，比如ANSYS已被采用建立高精度模型。這些高精度模型經常考慮焊接過程的每一個方面，不僅有焊縫的幾何尺寸模擬，還包括熱影響區、殘余應力、焊件變形、開裂。

光滑粒子流體動力學法，作為新興的一種拉格朗日形式的無網格粒子法，近年來，SPH方法被引入流體動力學研究當中[27]，并憑借其粒子特性及操作簡單靈活使其能夠以魯棒穩定的方式處理很多流體模擬問題，已在自由液面流動[28-29]、流固耦合[30-31]、多相流[32]等問題中取得了重大進展，但仍然在邊界處理、自適應粒子細化、固液相變等方面面臨挑戰性問題。

在運用此方法處理流體運動問題時，可以將流體離散為一系列的粒子來進行描述，而非對系統進行網格設定，每個粒子都代表著流體內的一定體積，這些粒子可以被賦予它們各自的材料屬性，相關的物理量(包括速度、壓力、加速度等)可由相鄰粒子的數值按照一定的控制方程進行插值得出，從而實現流體(粒子群)的規律運動。采用SPH法進行焊接熔池模擬時，操作比較簡單，前處理方便，且不需要生成網格，避免了因網格畸變所造成的計算失敗，也可實時生成焊接熔池形貌。例如：如劉石柏等人[33]運用SPH方法建立了激光熔凝過程的數值模型，并應用該模型對AISI304不銹鋼的激光熔凝過程進行數值模擬；謝本凱等人[34]提出了一種基于光滑粒子流體動力學法的焊縫成形仿真方法。該方法中包含有溫度場計算，可實現流體粒子從運動狀態至靜止狀態的轉化，從而模擬出焊接過程中熔池凝固的過程，如圖3c所示。Trautmann等人[35]運用SPH方法建立了一個考慮電弧力的焊接熔池流體動力學及由此產生的焊縫結構模型，并通過實測結果驗證了該模型的有效性。

圖3 3種熔池形態建模方法

大量實證研究表明，映射訓練模型，如神經網絡模型、多元回歸模型、響應曲面模型等，在焊接熔池幾何尺寸的分析中具有顯著優勢，但它們同樣存在自身缺陷，如模型參數敏感性強，無流體感等；簡單模型，在現有虛擬焊接訓練系統中應用最為廣泛，但其將熔池橫截面形狀固定為某一特定形狀或簡化處理，雖然可降低模型復雜度，提高計算機的實時交互性，但模型精度也會隨之降低，而且對于T形焊、管狀焊接等焊接工藝，則該方法不適用；相比于映射訓練模型與簡單模型，有限元模型應用于焊接熔池研究最為廣泛，其可建立高精度焊接熔池模型且可產生流體感，但依然存在問題——模型計算量過大(需要幾分鐘或甚至多個小時)，不能滿足實時交互原則。因此，針對焊接熔池的生成及變化機理，構建滿足人機實時交互約束下的焊接熔池形態模型以提高學員在VR空間互動中的沉浸感，是虛擬焊接訓練研究領域的重要難題之一。

4 多目標跟蹤技術

人機交互性能是虛擬焊接訓練技術的關鍵，考慮到焊接訓練時學員的動作及焊接姿態對焊縫生成有極大的影響，所以虛擬焊接訓練系統需實時感知學員的動作及焊接姿態，從而實時進行虛擬場景渲染及焊縫生成，反應在系統開發中則需要系統實時捕捉學員所操控的焊槍和佩戴的頭盔的空間位置和姿態信息，以便系統根據學員的視角轉變提供頭盔顯示器特定的場景畫面或根據焊接姿態參數的輸入生成特定的焊縫圖像及焊接效果。

焊槍及頭盔是學員直接接觸虛擬焊接訓練系統的重要組成部分，其空間位置的定位精度直接影響著系統的人機交互性能。對焊槍和頭盔的位置跟蹤一般存在以下問題：①焊槍及頭盔的跟蹤需為非接觸式的定位方法，也不能在訓練時存在跟蹤死角；②虛擬焊接訓練系統中的焊槍和頭盔因受限于實物的實際大小，不適宜安裝尺寸過大的定位裝置；③焊槍及頭盔在定位時不宜產生過大的累積誤差，一般定位精度需在2 mm以下，角度誤差不宜超過2°；④用于定位的裝置價格不宜過高。

現今，對于特定目標的追蹤定位方法主要有光學定位、電磁定位、機械定位、超聲波定位等，表2為4種主要定位方法的特點比較。

表2 4種定位方法的特點比較

通過文獻查閱，現今已開發的虛擬焊接訓練系統中對于目標追蹤定位應用最廣泛的方法為電磁定位及光學定位。

電磁定位技術，此種方法是利用電磁感應原理，通過在虛擬焊接培訓系統內放置磁場發生器，從而在學員訓練范圍內產生磁場，在焊槍及頭盔內放置傳感線圈，從而可以在磁場內接收磁場信號，系統根據磁場信號的強度計算焊槍及頭盔的六自由度坐標值，從而實現對焊槍及頭盔的空間定位及跟蹤。該方法的缺點為測量精度易受環境磁場及磁性物體的影響，且測量范圍有限，測量精度與傳感器的距離相關。例如：VRTEX360采用電磁定位技術對其系統內的焊槍及頭盔進行空間定位，該款虛擬焊接訓練系統的硬件材料(包括焊槍、焊件、頭盔、立架等)均采用抗磁質材料制成，根據文獻描述，該定位系統的靜態精度小于1 mm，測量范圍的有效直徑為0.82 m。陳仲盛等人[36]設計的面向虛擬焊接訓練的焊槍定位系統包含焊件、感應線圈膜、光纖傳感器、磁場發生器及三軸陀螺儀和三軸加速傳感器芯片，其中利用感應線圈膜、磁場發生器用于測定焊槍在x/y平面內的位置，光纖傳感器用于測量焊槍在z軸上的位置，三軸陀螺儀和三軸加速傳感器芯片用于測量焊槍在空間中的姿態，從而完成對焊槍的空間定位。

光學定位技術，在虛擬焊接訓練系統的實際應用中也分為激光定位技術和基于圖像的相機定位技術。基于圖像的相機定位是通過相機采集的圖像或視頻，實時對被追蹤目標的空間位置及姿態進行計算，從而完成對目標的定位及跟蹤，該方法設備安裝配置較為簡單，成本也較低，但該方法也存在圖像處理計算量大，易受環境光照、紋理等場景因素的影響。例如：余亮等人開發的ONEW-360是一款訓練二氧化碳氣體保護焊的培訓系統，該系統內的定位系統采用單目視覺的方法對焊槍和頭盔進行空間定位。具體的，通過在焊槍及頭盔上安裝有發光的單色球，通過相機采集的視頻，對比每一幀圖像中像素點與發光球的HSV值，從而完成對圖像中發光球的定位，即完成了對焊槍及頭盔的空間定位；White等人[6]研發的sMIG是一款熔化極惰性氣體保護焊訓練系統，其采用多目視覺定位的方式對焊槍和頭盔進行追蹤定位，定位系統的主要硬件為反光標記和3個OptiTrack FLEX攝像機，3個攝像機以非線性排列在焊接面板前，頭盔及焊槍進行了一定的改裝以便反光標記的附著。三目追蹤系統可通過識別視頻中的反光標記從而對焊槍及頭盔在三維空間內位置及姿態進行計算。激光定位技術是通過在被追蹤目標上放置光敏傳感器，利用基站發射激光源掃描空間中光敏傳感器，通過各個光敏傳感器測量到激光的時間差來確定目標的空間位置，該種方法僅使用時間參數計算，不涉及圖像處理，使其計算量相較于基于圖像的相機定位來說非常小，但該方法也存在設備配置較復雜等問題。例如：Wang等人[37-38]構建了一種基于虛擬現實的人-機器人協同焊接系統，該系統利用消費級VR設備HTC VIVE(使用Lighthouse激光定位技術)對焊槍及頭盔進行空間定位，并構建虛擬焊接場景以便操作者進行虛擬焊接，焊接軌跡發送給焊接機器人最終完成焊接任務，該系統綜合了人和機器人的優點，充分利用了人的智能性和適應性，實現了機器人的精確運動。

5 力反饋技術

觸覺是人體五大感官之一，而力覺是觸覺中最為復雜的感知形式，且具有雙向信息傳遞能力。力反饋技術用于再現人與虛擬場景之間進行交互所產生的力的感知。

力覺的再現是一個力反饋的過程，通過利用由計算機控制的機械裝置或觸覺交互裝置來實現。力反饋裝置通過驅動裝置向使用者輸出反饋的作用力，將真實物體被接觸或被受力時的狀態以力的形式再現到人的手或肢體上來實現力覺的交互，其技術發展歷程如圖4所示。

圖4 力反饋設備發展歷程

在真實焊接過程中，電弧所產生的力會通過焊槍傳導至學員手部，從而使學員產生力反饋的感知，此力反饋的效果對于學員的沉浸感來說也具有較大影響。電弧力包括電磁收縮力、等離子流力、斑點壓力、爆破力等，其形成機理十分復雜。根據現有文獻搜索未見對此力反饋形式進行有效模擬的方法。現有商業化的部分虛擬焊接訓練系統通過在焊槍內加裝電動馬達等設備，使焊槍可提供簡單的震動功能，但并未對其它的力反饋形式進行模擬，還有一些學者通過利用其它裝置來產生焊接過程中力反饋的感知。如Wang等人[39]提出了一種基于虛擬現實和力覺引導的焊工培訓方法，利用Phantom給予學員力反饋的感知，以訓練學員手-眼的協調技能。黃俊[40]設計了一種可穿戴的RPR型力反饋焊接機械和SMAW焊接訓練軟件，以便增強虛擬焊接訓練的真實感。Erden等人[41]提出了一種基于焊接機器人的焊工訓練方法，將KUKA機器臂的末端加裝焊槍、力傳感器等裝置，學員手握焊槍進行真實焊接訓練，當其運動軌跡偏離中心線時，系統會發出聲/光信號以便提醒學員糾正焊接姿態。Xie等人[5]開發的ONEW-360通過安裝氣泵，并在虛擬焊槍嘴處設置出氣孔的方式對二氧化碳保護焊焊接過程中的氣流力進行模擬。

6 虛擬焊接訓練評價

Stone等人[42]在傳統的焊接培訓中引入虛擬現實技術進行混合型的焊接培訓，并在培訓潛能、團隊學習、材料消耗、成本計算4個方面對這種培訓方式進行檢驗。研究運用的虛擬現實培訓設備為林肯電氣出品的VRTEX360焊接模擬器，訓練項目包括2F，1G，3F和3G位置上的訓練，最后實驗結果表明混合培訓組的培訓效率要比傳統培訓組的效率要高，論文給出的原因為混合培訓組的團隊交流要比傳統培訓組的要高很多，這可以促進學員之間的技能提升，而且使用虛擬現實培訓設備可以很容易的獲得焊縫缺陷等重要信息，而傳統型的培訓方式則不那么容易看出來。

Stone等人[43]在上述研究的基礎上進一步設計了2種焊接培訓方案，一種是完全依靠虛擬培訓設備的方案(VR-100)；另一種是混合型的焊接培訓方案(VR-50)。通過讓學員完成特定的焊接訓練項目，學員即有機會參加相應的資格認證考試。通過這樣的研究流程可對學員的認知水平和培訓效率進行對比。這項研究的結果表明在低等難度和中等難度的焊接訓練項目培訓中，VR-100和VR-50之間的培訓效率幾乎沒有區別。但在高難度的培訓項目中，VR系統顯然無法滿足學員的技能訓練需求，因此需要對真實操作的訓練。

Jumper[44]針對虛擬焊接技術在農業機械中的應用開展了統計調查的研究，調查對象為320個在伊利諾伊州的農業教育項目，研究發現，人們對虛擬現實和類似技術有著積極的看法，但是，虛擬現實焊接模擬器的成本需要大幅降低，以便將其納入農業機械，成為一種成本效益高的培訓形式。

Byrd[45]利用VRTEX360進行了虛擬焊接訓練的研究，研究結果表明虛擬現實焊接模擬器的能夠從5個焊接參數(位置、弧長、工作角、行程角和行程速度)評估焊工的現有技能。研究過程中發現，所有參加焊接培訓的學員在試焊過程中都有焦慮情緒，并且參與者使用虛擬現實焊接模擬器的次數越多，在完成測試焊接過程中產生的焦慮就越多。這表明混合訓練模式比100%虛擬現實培訓模式更能減少學院的焦慮。

7 其它方面的仿真

除以上所述的主要技術外，焊接過程中還存在有一些特殊現象，如強烈的弧光、“呲呲”的聲響、灼燒的氣味等，這些特有的現象共同組成為一個綜合的臨場環境，從而給予學員在聽覺、視覺、味覺、觸覺特殊的感知。雖然當前有很多學者對于弧光、焊接聲音、熱輻射等內容進行了大量的研究，但研究內容僅限于探究產生這些現象的原因或規律，而對這些現象進行有效的仿真的文獻則較少。

8 結束語

(1)根據文獻的梳理統計，虛擬焊接技術能夠有效提高學員的認知水平和培訓效率，但目前的技術水平還未能有效滿足中、高難度的焊接培訓任務。

(2)焊接訓練的核心即為學員與熔池的動態交互行為，因此焊接熔池的動態行為表征是虛擬焊接訓練系統沉浸感的核心指標，然而大多數系統的焊接熔池形態皆為靜態仿真或直接未展示，這導致當前的虛擬焊接訓練技術僅可作為初級焊工的培訓用途。

(3)因立體顯示技術的發展，虛擬焊接訓練系統在視覺感官體驗上有了長足進步，目前主流的顯示載體均為頭戴式顯示器。但系統對聽覺、觸覺、嗅覺方面的仿真均還未有統一有效的解決方案。

(4)現有的焊接熔池形態建模方法各有優劣勢。但由于這些模型皆是以精確的仿真結果為研究目標，而在虛擬焊接訓練中，基于物理的流體模擬強調結果的視覺真實感，并在此前提下盡可能提高計算效率，以達到人機的實時交互。目前此方面的研究成果還未形成適用于面向虛擬焊接訓練的解決方案。

(5)現有應用于虛擬焊接訓練系統的多目標跟蹤技術多為電磁定位和光學定位，這兩種定位技術在應用環境、計算量、精度等指標上各有差異，但目前來看，光學定位技術發展較為迅速，視覺-慣性傳感器融合研究近年來也取得了較大進展，其硬件設備價格相較電磁定位較為便宜且技術實現難度低，適于虛擬焊接訓練系統的應用需求。