JP2013212392A - 歯列矯正弧線材及び他の医療器具を特注成形する器械及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の欠点を克服した歯列矯正弧線材のような医療用器具を曲げる機械及びこのような器具を曲げる方法を提供する。
【解決手段】歯列矯正弧線材や他の医療器具を屈曲又は成形して複雑な患者固有の形状にする器械及び方法について記載されている。本器械は、全体的には３個の回転軸を規定する少なくとも３個の回転関節及び少なくとも３個の並進軸を規定する少なくとも３個の直動関節を有する２個の小型可動マニピュレータを備える。マニピュレータには把持工具が備えられる。２個のマニピュレータは、６自由度の相対運動が可能なように配置される。１個又は２個だけの回転関節を持ち複雑さが緩和された実施形態も記載されている。
【選択図】図１０

Description

本発明は、患者特有の歯列矯正弧線材、固定具又はその他の歯列矯正用若しくは医療用の器具を所望幾何形状構造になるまで自動的に曲げ、又は整形するための機械及び方法に関する。

歯列矯正では、不正咬合患者に対して歯の表面にブラケットを付け、該ブラケットの溝に弧線材を取り付ける処置が行われる。弧線材及びブラケットは、歯に力を加える特注の強制力システムを形成するよう設計されており、これによって個々の歯は、所望咬合となるよう周囲の解剖学的構造に対して動かされる。このような強制力システムを作る最も普通の手法は、標準的な処方値で作られているか否かに関わらず、容易に入手できるブラケットを使用し、所望方向に歯を移動又は回転させる複雑な屈曲を持つ特注の弧線材を設計することである。

この複雑な屈曲は、長さ軸回りの回転、長さ軸に直交する２つの面の角度変化、及び線材に対する長さ軸と横方向の変位の重ね合わせに特徴を有する。一般には、このような変形は６自由度で記述される。歯列矯正では、角度変化は、トルク、回転及び角形成（アンギュレーション）で特定される。変位は、歯の幾何形状に対する、近心−遠心、頬−舌、咬合−歯茎の方向で特定される。

変形される線材部分は、２つの隣接歯に接合されたブラケットのブラケット溝における近接端間距離よりも小さく、通常は、僅か数ミリメートルの範囲にある。

歯列矯正弧線材を曲げる機械は、従来から提案されている。Andreiko他の米国特許第５４４７４３２号（特許文献１）には、真っ直ぐな弧線材を用い、線材に単純な面状弓形湾曲を付与する器械が記載されている。該線材は、弓形形状が特定患者用に設計されている点で特注品であり、Andreiko他に記載された線材屈曲器械は、歯列矯正用特注ブラケット手法に限定されている。特に、Andreiko他の線材屈曲器械は、例えば並進動作と回転動作の組合わせを要する屈曲のような線材の複雑な屈曲を生成することができない。必要な強制力システムは、特注のブラケット設計、特にブラケット溝の位置と方向、更に歯の所望位置への正確な配置によって形成され、ブラケットは、平坦な面状線材と相互作用し、歯を所望位置に動かす。

Orthuber他の米国特許第４６５６８６０号（特許文献２）には、弧線材を曲げる屈曲ロボットが記載されている。該８６０特許に記載されているロボットは、本願出願人の前身により開発されたものであり、数年間実験的に使用されたが、広く商業化されるには至らなかった。該ロボットは、２つの独特な設計上の特徴を有しており、それは、線材を曲げるために前後に移動できる屈曲用円錐及び線材を捻ることができる回転用円錐である。そのため、該機械は、一つの屈曲工程では線材主軸回りの変形だけを行うことができた。歯列矯正で患者特有の弧線材に通常必要となる６自由度の複雑な弧線材変形をするためには、８６０特許の機械は、典型的には３回のトルク（捻り）工程と２回の屈曲工程から成る５回の単一屈曲工程の系列を必要としていた。この複数工程を行うのに必要な弧線材部分長は、通常、２つの隣接ブラケット溝における最近接端間の利用可能距離を超えていた。このため、８６０特許は、多くの歯列矯正処方には有効でなかった。加えて、８６０の屈曲機械は、特定の屈曲操作や捻り操作が行われた後に線材が実際どのように曲げられたかを検知する効率的な帰還機構をロボットが有していなかったため、少々不正確であった。更に、各屈曲工程での製造上の不正確さは、２つの隣接ブラケット溝間の変形全体では比較大きな誤差になっていた。

８６０特許の欠点は本出願人による改良線材屈曲機械の開発につながり、これはWerner Butscher他の特許に記載されている。米国特許第６６１２１４３号（特許文献３）、第６７３２５５８号（特許文献４）、第６７５５０６４号（特許文献５）、第６８６０１３２号（特許文献６）、第７０７６９８０号（特許文献７）及び第７２８３８９１号（特許文献８）参照。これらの特許の全ての内容は、参照によってここに取り入れられる。これらの特許には、歯列矯正線材を曲げるために６自由度の運動が可能な６個の連続配列回転軸を持つ多関節ロボット腕が記載されている。この線材変形を行うために、線材は、台又は基部に取り付けられた固定把持工具とロボット腕端部に取り付けられた把持工具の双方により把持される。ロボット腕を適切に動かすことにより、２つの把持具間に把持された線材部分は、所望変形となるように曲げと捻りの少なくとも一方を受ける。ロボット腕については、並進軸と回転軸の組合わせに基づくもの（１４３特許の図９参照）を含め、他に多様な構成が提案されている。

上述の特許第６６１２１４３号、第６７３２５５８号、第６７５５０６４号、第６８６０１３２号、第７０７６９８０号及び第７２８３８９１号に記載された線材屈曲機械に関する出願人業績に対し、発明者の評価は、これらの特許に記載されたロボットが、実質的な技術進歩を示してはいるが、幾つかの欠点を有するというものである。

米国特許第５４４７４３２号明細書 米国特許第４６５６８６０号明細書 米国特許第６６１２１４３号明細書 米国特許第６７３２５５８号明細書 米国特許第６７５５０６４号明細書 米国特許第６８６０１３２号明細書 米国特許第７０７６９８０号明細書 米国特許第７２８３８９１号明細書

第１に、製造できる屈曲の幾何形状には限界があり、歯科矯正医が希望する全ての線材形状を生成することはできない。舌に関係する事例のように屈曲長さが極めて短い事例では、この手法による処置の選択肢は限られている。
第２に、これらの特許に記載されたロボットでは、極めて正確な弧線材を繰り返し得ることが困難である。仕上げられた弧線材について所望の正確性を保証するためには、屈曲が完了した後で弧線材を測定しなければならない。実際の形状と所望形状との偏差が許容限界を超えた場合、線材を再度屈曲（すなわち新たな線材を生成）しなければならない。屈曲補正値は、最初の製造作業中に測定された誤差から計算され、２度目になる繰り返し時に更に正確な弧線材を得るために使用される。３度目になる繰り返しは、或る弧線材について全ての屈曲における許容限界を満たすためにも必要である。この工程は、線材を費やし、製造時間を増加させ、製造費用を増加する。

本発明は、このような欠点を克服するものであり、歯列矯正弧線材のような医療用器具を曲げる機械及びこのような器具を曲げる方法を提供し、これによって従来技術を更に実質的に進歩させるものである。本発明の機械と方法は、正確性を大きく改良し、可能な形状の範囲を大幅に拡げ、製造費用を低減させた歯列矯正弧線材の屈曲ができるようにする。

第１の態様として、歯列矯正弧線材のような細長い、屈曲可能な医療用器具を当初形状から所望の新形状へ正確に曲げることができる機械について以下で説明する。本機械は、少なくとも３個の回転関節を有しており、これは、制御回転軸を規定し、回転軸のいずれも平行でなく、回転軸が単一平面上にないよう相互に配置されている。好適な実施態様では回転関節が相互に直交する軸に配置されるが、これは必ずしも必要ではない。更に、本機械は、少なくとも３個の直動関節を有しており、これは、制御並進軸を規定し、並進軸が相互に平行でなく、単一平面上にないよう相互配置されている。また、好適な実施態様では直動関節が相互に直交する軸に配置されるが、これも必ずしも必要ではない。

少なくとも３個の回転関節及び少なくとも３個の直動関節は、任意の方法、順序で結合され、第１の小型可動マニピュレータと第２の独立した小型可動マニピュレータを有する小型の屈曲器械となる。３個の回転関節及び３個の直動関節を結合して第１及び第２のマニピュレータにする方式には、幾つかの形態がある。一つの形態では、第１のマニピュレータが３個の直動関節と１個の回転関節を有し、第２のマニピュレータが残る２個の回転関節を有する。他に考えられる構成は、以下に記載する。

また、本機械は、第１マニピュレータに取り付けられる第１把持工具と第２マニピュレータに取り付けられる第２把持工具を有する。各把持工具は、医療器具を解放可能に保持するための把持構造（例えば、対向する把持指又はコレット）を持つ。第１と第２のマニピュレータは、第１と第２の把持工具が６自由度で相互に移動可能なように配置される。

更に、本機械は、医療器具に屈曲を形成するために、第１及び第２のマニピュレータに使用可能な制御装置と第１及び第２の把持工具とを有する。

本発明の他の態様では、医療器具を曲げる方法が開示され、これは、第１の小型可動マニピュレータ及び第２の独立した小型可動マニピュレータの形態の小型屈曲器械を提供することを含む。また、本機械は、第１マニピュレータに取り付けられる第１把持工具と第２マニピュレータに取り付けられる第２把持工具を有する。各把持工具は、医療器具を解放可能に保持するための把持構造を持つ。第１と第２のマニピュレータは、第１と第２の把持工具が６自由度で相互に移動可能なように構成、配置される。更に、本方法は、医療器具に屈曲と捻りの少なくとも一方を形成するために、第１及び第２の把持工具により医療器具を把持し、第１及び第２の把持工具並びに第１及び第２のマニピュレータの動作を精密に制御する諸段階を有する。

動作中、医療器具に所望の変形を与えるため、医療器具（例えば歯列矯正弧線材）は、２つの把持工具で把持される。制御装置は、第１及び第２のマニピュレータにおける駆動軸への入力信号を発生し、双方の相対運動を生じさせる。医療器具は、２個の把持工具によりしっかりと把持された状態に留まっている。医療器具は、２個の把持器の相対運動により変形を受け、新たな所望幾何形状をとる。

上述の第１及び第２の把持器では行い得ない線材形状屈曲を可能とするため、第３又はそれ以上のマニピュレータに第３又はそれ以上の把持工具を付加的に取り付けてもよい。一つの可能な構成では、第３の把持工具は、取扱（運搬）ロボットの形態でマニピュレータに取り付けられる。

本開示の屈曲機械は、歯列矯正弧線材の屈曲だけでなく、同様に細長い形状の他の医療器具、例えば、人工器官、脊椎棒、骨固定器具等の整形外科用器具、ステント、埋没具、固定板、眼鏡の枠縁、及び歯根管用穴ぐり錐等を含む外科用器具の屈曲にも適している。

図１は、医療器具屈曲用である器具製造センターのブロック図であり、本開示の屈曲機械を含んでいる。図１では、器具センターは、コンピュータネットワークを介して遠隔ワークステーションからセンターで曲げる医療器具形状を指示する処方の形態でデータファイルを受信する。 図２は、図１の屈曲機械の斜視図であり、２個の小型マニピュレータを示す。把持工具は、マニピュレータ端部に取り付けられている。マニピュレータを構成する回転関節及び直動関節により、把持工具は、６自由度で相互に対して可動である。 図３は、図２の第１マニピュレータにおける関節の概略図であり、３個の並進軸を規定する３個の相互に直交した直動関節と、第３の直動関節に結合され一つの回転軸を規定する１個の回転関節とを示す。 図４は、図２の第２マニピュレータにおける関節の概略図であり、２個の相互に直交した回転関節を示す。 図５Ａは、三角形、矩形及び円形の断面を持つ医療器具を把持するために把持工具に形成される把持輪郭の図である。 図５Ｂは、三角形、矩形及び円形の断面を持つ医療器具を把持するために把持工具に形成される把持輪郭の図である。 図５Ｃは、三角形、矩形及び円形の断面を持つ医療器具を把持するために把持工具に形成される把持輪郭の図である。 図５Ｄは、三角形、矩形及び円形の断面を持つ医療器具を把持するために把持工具に形成される把持輪郭の図である。 図６は、２個の対向する把持指の形態である好適な把持工具の斜視図である。 図６Ａは、図６の把持工具に対する他の実施形態の斜視図である。 図７は、歯列矯正弧線材を保持する第１及び第２の把持工具の図であり、一つの把持工具はコレット形態に形成され、他の把持工具は図６の構成である。 図８は、屈曲用孔・端部を有する把持工具を用いた屈曲工程の図である。 図９Ａは、線材屈曲中に２個の把持器間に衝突が起こるという状況の図である。 図９Ｂは、屈曲用外形をその外側端部に有する把持工具を図示しており、線材屈曲中に２個の把持器間に衝突が起こることを避けるための利用法を示している。 図９Ｃは、屈曲用外形をその外側端部に有する把持工具を図示しており、線材屈曲中に２個の把持器間に衝突が起こることを避けるための利用法を示している。 図１０は、図１の器具製造設備における産業用線材屈曲製造部分の図であり、この部分は、図２に示される線材屈曲機械、線材取扱ロボット及び線材貯蔵マガジンを有している。また、この図には、曲げられた弧線材の品質管理を可能にする視覚システムも描かれている。

［概観］
図１は、本発明を実施できる環境のブロック図である。汎用コンピュータ形態のワークステーション１００は、患者処置用歯列矯正器具システムを設計するための対話型歯列矯正処置計画ソフトウエアを有する。このソフトウエアは、不正咬合状態にある患者の歯の３次元コンピュータモデルに対して動作する。器具システムは、特注の弧線材を有する。弧線材形状は、患者の歯に置かれる歯列矯正ブラケットの位置及び目標状態の歯の位置により指令される。この形状を弧線材処方という。弧線材処方を含むデータグラムは、コンピュータネットワーク１０４を介して精密器具製造センター１０６へ送信される。

センター１０６は、弧線材処方に従って弧線材を所望形状に曲げる屈曲機械１０８を有する。屈曲機械１０８は、制御装置１１０、第１マニピュレータ１１２、第２マニピュレータ１１４、第１マニピュレータ１１２の端部に取り付けられた第１把持工具１１６、及び第２マニピュレータ１１４の端部に取り付けられた第２把持工具１１８を有する。屈曲機械は、取扱（運搬）ロボット１２０を有していてもよく、これは、弧線材供給部１２４から弧線材１２２を得て把持工具１１６と１１８の一つへ弧線材１２２を届ける。

屈曲機械１０８は、続いて、弧線材１２２を線材処方に従って所望形状に曲げる。線材は、線材と弧線材配置の識別のため、例えばレーザーにより「左」、「右」、「上」、「下」、患者名、注文番号等の説明を付けてもよい。その後、線材は、梱包され歯科矯正医に送られる。

対話型処置計画ソフトウエア及び３次元不正咬合モデルから弧線材処方を生じる方法は、OraMetrix社の米国特許第６６３２０８９号及び第６６４８６４０号の特許文献に記載されており、これらの内容は、参照によって組み込まれる。したがって、簡潔化のため、これらの態様に関する更に詳細な説明は行わない。

［小型マニピュレータ１１２及び１１４］
図２には、図１の屈曲機械１０８が更に詳細に示されている。屈曲機械１０８は、回転軸のいずれも平行でなく、回転軸が一平面内にないよう相互配列された制御回転軸を規定する少なくとも３個の回転関節に基づいており、また、並進軸が相互に平行でなく、並進軸が一平面内にないよう相互配列された制御並進軸を規定する少なくとも３個の直動関節に基づいている。更に、少なくとも３個の回転関節と少なくとも３個の直動関節は、第１小型可動マニピュレータ及び独立した第２小型可動マニピュレータ１１４を有する小型屈曲機械となるよう、任意の方法又は組合わせで結合される。

回転関節と直動関節を結合し２個の独立した小型マニピュレータ１１２及び１１４に配列する方式は種々存在する。好適な実施形態では、回転関節は３個の互いに直交する回転軸を規定し、直動関節は３個の線形で互いに直交する並進軸を規定する。図２では、第１マニピュレータ１１２は、３個の直動関節２０２、２０４及び２０６を有し、それぞれ３個の並進軸Ｘ、Ｙ及びＺに沿って可動であり、軸α回りに回転可能な１個の回転関節２０８を有する。図２では、第２マニピュレータ１１４は、２個の回転関節２１０及び２１２を有し、２個の回転軸β及びγ回りに可動である。

図３には、図２の直動関節２０２、２０４及び２０６並びに回転関節２０８が概略的に示されている。直動関節２０２は、直線状要素３００を軸Ｘに沿って前後に移動させるアクチュエータ（従来技術であり不図示）を有する。直動関節２０４は、要素３００の遠位端に位置し、第２の直線状要素３０２をＹ方向に前後に移動させるアクチュエータ（従来技術であり不図示）を有する。直動関節２０６は、要素３０２の遠位端に位置し、第３の直線状要素３０４をＺ方向に沿って前後に移動させるアクチュエータ（従来技術であり不図示）を有する。回転関節２０８は、第４の要素３０６の軸α回りの回転のため要素３０４の遠位端に形成されている。要素３０８のヘッド３０６は、第１把持工具（図３では不図示。図１及び２の１１６参照。）の取付箇所となる。要素３０４とヘッド３０４の間の距離Ｄは一定である。

図３に示されているように、第１把持工具１１６に把持されている弧線材１２２は、線材の長さ軸又は縦軸（Ｘｗ）が回転関節２０８の回転軸αに沿うよう方向付けされる。このため、線材が第２把持工具１１８で把持され、回転関節２０８が回転すると、線材は、線材軸Ｘｗ回りに捻られる。線材１２２は、矩形断面を持つように示されている。この断面は、相互に直交する線材軸Ｙｗ及びＺｗを規定する。

図４には、第２マニピュレータが概略的に示されている。マニピュレータ１１４は、第１要素４００を軸β回りに回転させるアクチュエータ（従来技術であり不図示）を有する第１回転関節２１０を有する。第２のＬ形要素４０２は要素４００に結合され、その遠位端には第３の要素４０４を軸γ回りに回転させるよう動作するアクチュエータ（従来技術であり不図示）を持つ回転関節２１２が有る。要素４０４のヘッド４０６は、第２把持工具（図１及び２、部材１１８）を取り付けるための基部を形成する。第２マニピュレータ１１４（図１及び２）の端部に取り付けられた第２把持工具１１８は線材を把持する。回転関節２１０及び２１２の動作により、把持工具は、β軸及びγ軸の回りに動く。図４は、線材の直交座表系Ｘｗ、Ｙｗ及びＺｗをも示している。

図２及び３を再度参照すると、屈曲機械１０８は、このように、第１マニピュレータ１１２に付加された第１把持工具１１６と、第２マニピュレータ１１４に付加された第２把持工具１１８とを有するように設計され、各把持工具１１６及び１１８は弧線材１２２等の医療器具を解放可能に保持する把持構造を持つ。第１及び第２のマニピュレータ１１２及び１１４は、（回転関節及び直動関節の組合わせ配置により）第１及び第２の把持工具１１６及び１１８が６自由度で相対的に運動可能なように配置されている。

図２の設計は従来のButscher他の特許における６軸屈曲ロボット構成より遙かに小型であり、このため、より頑丈で、より精密な制御が可能な屈曲機械となる。好ましくは、要素３００、３０２、３０４の運動距離の長さ及び範囲並びに図３の長さＤは、数センチメートル以下のオーダーである。更に、図４の要素４００及び４０６並びにＬ形状要素４０２の脚部の長さは、数センチメートル以下のオーダーである。

医療器具（例えば弧線材）が矩形又は正方形の断面を持つ状況では、並進軸Ｘ、Ｙ及びＺは、把持工具１１６で把持される線材１２２の主軸Ｘｗ、Ｙｗ及びＺｗに従って整列することが好ましい。

好適な実施形態では、第１マニピュレータ１１２の回転軸αは、第１マニピュレータ１１２上の把持工具１１６で把持される線材部分の線材長さ軸Ｘｗに従って整列している（図２及び３参照）。この場合、軸α回りの回転は、線材１２２の長さ軸回りの回転を表している（すなわち、線材の捻りを生じる）。一つの並進軸（直動関節２０２で規定されるＸ軸）も、線材長さ軸Ｘｗの方向に整列している。この並進軸Ｘｗにより線材把持部分の長さ方向運動が可能になる。第１マニピュレータの直動関節２０４及び２０６で規定される他の２つの並進軸Ｙ及びＺは、並進軸Ｘに垂直であり、直交系を形成する。好ましくは、Ｙ軸及びＺ軸の方向は、 第１把持工具１１６で把持される線材部分の主軸Ｙｗ及びＺｗに従って規定される。

第２マニピュレータ１１４の回転軸β及びγは、図４に示されている第２把持工具１１８で把持される線材部分の主軸Ｙｗ及びＺｗに対応するよう配置される。

所望の変形を行うため、線材１２２は、把持工具１１６及び１１８の双方で把持される。制御装置１１０（図１）は、直動関節及び回転関節の駆動軸への入力信号を生成し、２個のマニピュレータ１１２及び１１４の相対運動を生じる。線材１２２は、２個の把持工具１１６及び１１８でしっかり把持された状態にある。把持工具１１６及び１１８の相対運動により、２個の把持工具間にある線材部分は、新たな所望幾何形状への変形を受ける。

本開示によって設計・製造された屈曲器械は、従来技術の全ての欠点を免れている。特に、屈曲機械１０８の構成は、対応する把持工具１１６及び１１８を持つ個々の独立した小型マニピュレータ１１２及び１１４を有する図２に示された小型設計で、Butscher他の従来の特許に記載された多軸屈曲ロボットに見られた多くの問題点を克服している。

特に、発明者等は、多軸ロボット腕が典型的運動学設計（６回転軸の連続配置）によって把持工具先端で機能的に必要な小運動を行うため空間的に極めて大きな運動を必要としていることを見出した。曲げる線材の長さ方向軸回りの把持器回転は、多くの場合、５００倍以上大きいロボット関節や腕のミリメートル動作のごく一部の線材に対する把持工具位置の所望変化を要し、そのため達成する正確性を大きく損ねている。このため、ロボット作業空間の大きさは、３方向の各々で優に１メートルを超えている。固定把持器に対して可動把持器を正確に位置づけるために必要な関節角度の大きな変化は、更に多くの制約につながり、例えば関節の許容最大回転角を超えかねない。目標構造には、ロボット部品間の衝突や、ロボットとこれを収容する作業セルの他部分との衝突無しには到達できない。可動把持器に必要な配線やホースは、絡み合い、引き延ばされ、損傷を受ける。結局、動作範囲の制限により、所望屈曲形状は、歯科矯正医が使用を好むものではなく、製造可能なものに限定される。図２に示された屈曲機械の小型構成は、このような問題を克服し、線材を任意の所望構造に曲げることを可能にする。

加えて、従来のButscher他の特許に記載された多軸ロボット腕は、典型的には、ウエハー取扱、注入ポンプ組立、自動車産業におけるワニスがけ、光学産業における接着材塗布と被膜加工のような産業環境において、部品の高速、複雑、高精度の組立や取扱用に設計され、使用された。その発展における主たる焦点は、同じ場所への繰り返し移動（約０．０２ｍｍ）、又は同じ動作パターンでの繰り返し移動の再現性に関して非常に高速な移動を可能とすることであり、非常に正確なことである。典型的には、可能な最大の正確性を得るため、ロボットは、何度も繰り返される所定作業に対してその位置と動作を最適化するよう調整される。

対照的に、歯列矯正弧線材における患者特有の屈曲の形成では、全く異なった関節構造に対して新たな位置への移動が要求される。これにはロボットの絶対的な正確性が必要であり、これは、ロボットの数学的モデルに基いて空間的な腕の絶対位置及び方向を極めて正確に計算できることを意味する。しかしながら、容易に入手可能な６軸ロボット腕の幾何学的・運動学的モデルは、要求通りに正確なものではない。歯車箱の部品における理想的幾何形状の僅かな変動、特に歯車の幾何形状における一貫性のない変動は、絶対位置に関する正確性を損ねることになる。典型的な産業用ロボット腕は歯車箱と「連結部分」（リンクセグメント）の運動学的直列チェーンとして配置され、各歯車箱の僅かな誤差は、直列チェーン上の複数歯車箱の誤差を更に悪化させる。典型的な歯列矯正屈曲形状では、所望位置と実際の位置との誤差は大きくとも０．５ｍｍであることが分かってきている。この問題に対処するため、幾つかの付加的な対策が必要である。例えば、「真のロボット」の最適数学モデルを生成するためには、各ロボットを測定し較正しなければならず、これにより特定機械の製造誤差を検討し、製造者による「理想的ロボット」の標準モデルよりも正確性を向上する。この較正は、技術的には極めて厳しく、またかなり高価なものになる。更に、「真のロボット」への変化のための試験は、損耗のため継続的予防保守予定表の一部でなければならない。これらの問題は、ここで説明し、図２に示されている新たな屈曲機械で克服される。

加えて、Butscher他の特許における６個の連続配置回転軸を持つロボットの剛性は、その開放的な運動学的構造のため、多少低い。この比較的低い剛性のため、屈曲工程の間にロボット腕にかかる力とモーメントによる屈曲の正確性には制限がある。典型的屈曲では、これらの力は比較的小さい（ほぼ４０Ｎｍｍと１０００Ｎｍｍの間）が、ロボットの体積や寸法の大きさのため、また、その結果としてのかなり大きな梃子の効果のため、把持器先端に対して（０．４ｍｍまでの）変形を生じ、これは無視できるものではない。歯列矯正弧線材に対して所望の正確性を保証するには、このロボットの「柔らかさ」を補償する付加的対策を規定しなければならない。例えば、屈曲操作の間の近似的な力とモーメントは数学的モデルに基づいて予め計算することができ、ロボット変形を補償するために適切な動作を規定することができる。

従来のButscher他の特許に記載されている他のロボット特性は、処理可能な有効負荷が比較的低いことである。線材の強力な変形による鋭い屈曲は、ロボットの最大有効荷重を超える屈曲力とモーメントを要することがある。したがって、このような鋭い屈曲を製造することはできない。逆に、本発明の屈曲器械では、このような強力な変形を伴う鋭い屈曲を達成することができる。

本開示による新たな屈曲機械と方法の結果、複雑な屈曲の形成に関する制限は、ほとんど無くなる。ある軸の動作は、その主軸の回りの、又はこれに沿った医療器具変形に直接対応する。本屈曲機械において最大限可能な変位と角度の範囲により、歯科矯正医の臨床的要求を大きく超える屈曲形状が可能となる。更に、従来技術に存在する不法な腕配置と衝突の問題は、除去されている。

本発明による屈曲器械の設計は、Butscher他の特許に示された６個の連続配置回転軸を持つ腕の設計に比較して遙かに小型であり、堅牢である。マニピュレータ１１２及び１１４の屈曲力及びモーメントに対する弾性コンプライアンス（すなわち柔軟性）は、その小型配置により著しく減少している。したがって、所望の線材変形が更に高い精度で得られる。

更にまた、従来技術とは異なり、本屈曲機械は、単純な構造を持ち、高精度に実現できる。そして、重要なことは、Butscher他の特許における６個の連続回転関節を持つ単一腕とは異なり、誤差が蓄積されず、直列連結チェーン配置に沿って拡大されないことである。この屈曲器械は、動作に必要な絶対精度が較正なしに達成できるよう高品質部品に基づいて設計・製作することができる。

本開示の屈曲機械とは異なり、６個の連続配置回転軸を持つ標準的産業用ロボットにおける単一軸の動作は、線材の非常に大きな空間動作を引き起こす。この動作は、利用可能なカメラや他の十分な正確性を持つ測定システムでは監視できない。

また、本開示の屈曲機械は、原材料として直線状弧線材と予備整形湾曲弧線材のいずれを使用することもできる。このような湾曲形状の予備整形弧線材は、歯間の空隙を閉じるために一般に使用されるが、典型的には特定患者用の特注のものではない。予備整形弧線材に特注の屈曲を付与するという本屈曲器械の能力により、他の歯の移動を行うと同時に空隙閉鎖を行うことができ、そのため、必要な処置時間が短縮される。

本開示の屈曲機械は、歯列矯正弧線材の屈曲だけでなく、同様に細長い形状の他の医療器具、例えば、人工器官、整形外科用器具、ステント、埋没具、固定板、眼鏡の枠縁、及び歯根管用穴ぐり錐を含む外科用器具の屈曲にも適している。

マニピュレータ１１２及び１１４を構成するため、所定軸の移動が行われ、線材の実際の移動が以下でより詳細に説明する機械視覚（カメラ）システムで監視される。所望の移動と実際の移動とを比較し、駆動軸の正確な位置と方向を決定できる。全ての軸の正確な位置と方向とに基づき、屈曲核心部の実際のモデルを開発することができる。そして、必要な運動は、この実際のモデルに基づいて計算できる。

本開示の屈曲機械とは異なり、６個の連続配置回転軸を持つ標準的産業用ロボットにおける単一軸の動作は、線材の非常に大きな空間動作を引き起こす。この動作は、十分な正確性を持つ利用可能なカメラシステムでは監視できない。

［制御装置１１０（図１）］
制御装置１１０は、直動関節及び回転関節の軸駆動部を制御する拡張ボードを持つ汎用計算機である。このような拡張ボードは、例えはアメリカ合衆国のMN55337、BurnsvilleのBeckhoff Automation LLC社から入手できる。CANbus やEthernet（登録商標）のインターフェィスのような付加的インターフェィスにより把持器加熱制御器及び線材加熱制御器（共に不図示）と通信することができる。制御装置の設計は、大体はButscher他の米国特許第６６１２１４３号に示されているロボット制御器及び関連制御システム（１４３号特許の図２及び２Ａ並びにこれに関連する説明参照）に従い、その内容は参照によりここに組み込まれる。図２の屈曲機械用の制御装置の実施は、当業者であれば本説明及び１４３号特許の教示により行うことができる。

操作時、制御装置は、図３及び４の直動関節及び回転関節の駆動部並びに図１及び２の把持工具１１６及び１１８に対する命令を発生し、関節を所望量動かし、線材の把持及び解放のために把持工具の開放及び閉鎖を行い、線材の連続する屈曲と捻りの少なくとも一方の配置のために線材を新たな位置に進める。

［把持工具１１６及び１１８］
第１及び第２のマニピュレータ１１２及び１１４は、各々、図２に１１６及び１１８で示されている把持工具を有する。把持工具は、幾つかの形態をとることができる。一つの形態では、把持工具の一つは、図６に示された把持工具１１８の形態、一対の対向する把持指６０２及び６０４を持つ把持器６００の形態を取る。

他の把持工具１１６は、コレット７００（図７）の形態で、これは、要素７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃ及び７００Ｄを持ち、弧線材１２２を把持又は解放するために基部７０２に対して収縮と伸張を行う。代替的に、把持工具１１８及び１１６の双方がコレット又は対向する把持指の形態を取ることもできる。把持工具に対する更に他の変形・設計も可能である。

コレット設計（図７）は、２つの対向把持指を有する設計（図６）よりも把持力が大きく、把持位置がより正確である。しかしながら、コレット形式の把持器は、線材からの完全な解放・離脱動作ができない。好ましい線材屈曲工程は、少なくとも一つの把持工具が線材を解放し、離脱し、再度把持する能力を持つことを必要とし、この能力が把持指で達成されるものであるため、少なくとも一つの工具が把持指（図６）の形態であることが好ましい。

図５Ａ〜５Ｄは、三角形、矩形及び円形の断面を有する弧線材１２２等の医療器具を把持する把持指６０２及び６０４における把持の輪郭を示している。把持の輪郭は、コレット７００の要素７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃ及び７００Ｄでも示されている。好ましくは、図６の把持工具１１８は、２つの対向する把持器指６０２、６０４として実現され、例えば図５Ａ〜５Ｄに示されているように、区域１１０（図６）に線材把持用の輪郭を持っている。少なくとも一つの指６０２又は６０４は、回動され、例えば空気式アクチュエータ６０６により動かされる。感知器６０８は、把持器の開放位置及び閉鎖位置を示すために取り付けられる。把持器を閉じると、線材１２２は、把持器中に所定の位置及び方向で固定される。最大開放幅は、把持器の線材からの完全な解放及び離脱を可能とするため十分大きくすべきである。

図６を参照すると、把持指６０２及び６０４は、一種の挿入具（把持板６０１）により統合される。区域６１０の把持輪郭は、最終的には線材との摩擦のために損耗する。この場合、把持板６０１を新しいものと容易に交換することができる。把持板６０１は、線材把持のため区域６１０に数個の輪郭を備えることができる。これらの輪郭の各々は、所定の線材断面を把持するように調整されている。最も一般的な断面形状は、正方形、長方形及び円形の断面である。しかしながら、付加的断面として、三角形、多角形、卵形、楕円形又はプロファィル（すなわち歯車状）の断面を含んでもよい。多輪郭把持器を用いることにより、屈曲機械は、把持器を交換する必要なく種々の断面の線材（図５Ａ〜５Ｄ参照）を次々と生産できる。これにより、線材断面に関する顧客の希望に対応して製造をより柔軟に行うことができる。

更に注意すべきは、種々の型の医療器具が弧線材の例とは異なる形状と厚さを有することがあり、把持工具の設計がこのような種々の型の医療器具に合わせて必要に応じて変更されることである。

図５Ａ〜５Ｄに示されているように、区域６１０の把持輪郭は、線材断面に合わせられている。断面形状に対応して種々の形状が選ばれる。図５Ａ〜５Ｄは、三角形（図５Ａ）、矩形又は正方形（図５Ｂ及び５Ｄ）、及び円形又は長円形（図５Ｃ）のような種々の断面を持つ線材を把持する把持指形状を示している。図５Ｄは、各々２個の指を有する２つの把持工具６００Ａと６００Ｂが正方形又は矩形断面の線材を保持する構成をも示している。当業者であれば、台形、五角形、六角形のような種々の異なる断面形状に適合する他の輪郭も可能なことが理解できる。

他の態様では、把持工具１１６及び１１８は、制御可能な開放動作を支えるアクチュエータを備える。これは、電気機械アクチュエータを使用して実現できる。このような設計により、把持工具の部分開放が可能となり、例えば、屈曲力が極めて大きい場合や、移動中に線材と把持器との接触をなくさずに線材に沿って把持器の位置を直すために、把持工具を介して線材を滑らせることができる。

上述の設計による把持器指（図６）は、把持状況では完全に線材を包み込んでいる。しかしながら、把持器指６０２及び６０４に必要な厚さにより、可能な屈曲位置範囲には制限がある。把持間隔が非常に短く方向変化が大きい屈曲位置では把持器の衝突が起こり得る。これは図９Ａに示されており、把持器６００Ａと６００Ｂは、弧線材１２２を保持し、弧線材を曲げる工程で９００に示されているように衝突する。このような極端な屈曲は歯列矯正処置では滅多に必要とされないが、本開示の屈曲器械における屈曲能力をこのような屈曲にまで拡大する方法を以下に示す。

図９Ｂは、把持工具６００Ａ及び６００Ｂが線材１２２を曲げるために使用される構成を示している。把持工具６００Ｂは、所望の把持用外形（図５Ａ〜５Ｄ）に加え、一つの把持指６０４の外縁に屈曲用外形９０４を持っている。更に、屈曲用外形９０４は、小さな曲率半径の形状に線材を整形・屈曲する間に線材１２２を案内し、線材に割れその他の欠陥を生じることなく線材１２２の安定した変形を行うよう、指６０４の外縁に溝９０２を有する。図９Ｃに示されているように、整形工程を行うため、線材１２２は把持器６００Ａで把持される。屈曲用外形９０２を有する把持器６００Ｂは、屈曲用パンチのように作用する。最初、線材１２２は、把持器６００Ａ及び６００Ｂの対応する動作により溝９０２に挿入される。次に、把持器６００Ａ及び６００Ｂの動作が、線材１２２を屈曲用外形９０４に配置するように行われる。

屈曲領域９０６（図９Ｃ）における線材１２２の歪は、図９Ｃに示されているように、屈曲用パンチ（外形９０４）と屈曲縁９０８の距離を変化させることにより影響を受ける。これにより達成される屈曲幾何形状の制御が或る程度可能となり、短い距離での極めて鋭い屈曲（角度δで示す）の達成に役立っている。

屈曲縁９０８は、外形が屈曲半径の両側で９０度とならずに寧ろ小さな角度を形成するように設計できる。例えば角度δが僅か７０度である場合、これにより線材を９０度以上に過度に曲げることができ、結果的に９０度の角度さえも達成することになる。

加えて、屈曲用パンチ（図９Ｃの把持器６００Ｂ）の屈曲線材長さ方向軸に対する移動方向が垂直（９０゜）でなく、例えば１１０゜の角度であるとすると、９０゜よりかなり大きい角度δの屈曲を達成することができる。屈曲縁９０８と屈曲用パンチ（把持工具６００Ｂの外形）との距離、及び屈曲縁９０８と屈曲用パンチ９０４双方の移動角度の両者における最大柔軟性の達成は、アクチュエータ及び測定システムにより変えられる。

図８は、把持器６００Ａ及び６００Ｂの形態の把持工具配置を示す他の図であり、把持器６００Ａがその周縁に屈曲縁９０８を有し、把持器６００が屈曲用パンチ外形９０４を有している。把持器６００Ｂは、把持器６００に対して相対的に移動し、縁９０８の上方で線材１２２を曲げ、９０度より大きい屈曲角δで屈曲を形成する。

［線材加熱］
屈曲線材材料の種類にもよるが、屈曲工程に加熱処理を必要とする場合がある。屈曲機械１０８は、そのため、図１には示されていない線材加熱器具を備え、２個の把持工具間に把持された線材部分を加熱する。

屈曲形状記憶合金のような幾つかの用途においては、線材加熱器具は、線材を数秒間７００℃まで加熱処理できなければならない。加熱は、伝導性の抵抗加熱、レーザ、対流又は放射により可能である。好適な実現法では、線材加熱器具は、把持工具と把持線材部分に対する電流供給用線材加熱電源を制御する線材加熱制御器を有する。電流は線材の抵抗加熱を生じる。電流は、特定の線材温度を生じるよう線材加熱電流感知器を用いて制御される。線材温度感知器（赤外線感知器、高温計）又は温度−カメラシステムは、実効線材温度を測定して線材加熱工程を制御するよう調整される。

線材１２２は把持工具１１６及び１１８に比して相対的に質量が小さいため、把持工具が熱損失を生じる重要な放熱部として作用することがある。熱損失を減らすため、屈曲機械は、図２には示されていない把持器加熱器具を更に有し、少なくとも把持器の指６０２及び６０４並びにコレット７００（図７）を周囲温度より高い温度に加熱する。このような加熱は、任意の使いやすい手段で行うことができる。

［力感知器］
屈曲工程中の力とモーメントのフィードバックを行うため、力感知器がマニピュレータ１１２及び１１４に、マニピュレータ基部（マニピュレータがテーブル２２０に載置される箇所（図２））と把持工具１１６及び１１８の間に取り付けられる。図２では、力感知器は２３０で示されている。

把持工程の更なる監視制御のため、力感知器具を把持工具１１６及び１１８に統合することができる。図６Ａでは、把持工具６０００は力測定感知器６２０を有する。力測定感知器６２０は、把持工具を閉じるときに測定可能な変形を受けるよう梃子を設計し、この変形を測定するために歪みゲージを梃子に適用することにより実施できる。他の選択肢は容易に入手できる力感知器を空気式アクチュエータ（図６の６０６）のプランジャと梃子の間に組み込むことである。力信号と把持器を閉じる動作との関係を測定することにより、把持状態が正常であることを検証できる。正常な把持状態では、力信号は、把持工具を閉じる工程で線材と把持器指の接触が起こる時点又は瞬間に増加する。不正確な把持状態は、把持工具を閉じる動作中に力の上昇が余りにも早い（すなわち予想より早い）ことで示され、これは線材位置が悪いことを示している。力の上昇が遅い（すなわち予想より遅い）場合、これは、線材がなくなって全く把持されていないことを示し、２個の把持指が直接接触していることを示している。

力感知器で検出される力とモーメントは、大きさと３次元方向の双方が決定される。感知器信号は、把持点（線材が把持工具で把持されている箇所）に、また線材座標系に変換され、線材と把持工具の間で作用する力及びモーメントを表す。

大きな力と極めて小さな力を十分な解像度で検出する必要があるため、測定範囲の調整可能な感知器が使用されることがある。その代りに、解像度の異なる２個の感知器を使用することができる。大きな力が作用しているとき、広い測定範囲を持つ粗い低解像度感知器だけを読み取り、精細な高解像度感知器は典型的には過負荷状態であり、読み取らない。逆に、低解像度感知器で測定された力が高解像度感知器の測定範囲内の負荷を示しているとき、測定信号の解像度を良くするために、高解像度信号を評価に用いる。

力測定感知器は、屈曲工程完了後、線材にかかる力が０となる位置を決定する測定のためにも使用される。また、このような測定は、前掲のButscher他の従来の特許に開示された過屈曲工程と共に使用することもできる。

屈曲機械の把持工具上又は他の箇所のいずれかにある歪みゲージ等の力感知器は、把持工具の運転と、医療器具を所望位置へ移動させる把持工具動作とを制御するフィードバックループに使用できる。

更に図６Ａを参照すると、把持器６００は、把持器指６０２及び６０４並びに把持器指を開放・閉鎖するリニアサーボドライブ６２４の動作を測定する感知器又は運動距離測定システムを有する。

［機械視覚システム］
線材の第１屈曲用整形工程が完了した後、線材に沿った他の屈曲用の屈曲工程を続けるため把持工具１１８で線材を再度把持しなければならない。再把持には、整形後の実際の線材形状を極めて正確に知ることが必要である。

開示する屈曲器械の実施形態は、機械視覚システムを有している。図１０に示されているように、機械視覚システムは、第１及び第２のマニピュレータに近接して位置し実際の屈曲形状を検出する視覚部品１１０２及び１１０４を有する。機械視覚部品１１０２及び１１０４は、レーザ光源と光ダイオード検知器の形態を取ることができる。代替的に又は付加的に、機械視覚部品１１０２及び１１０４は、カメラをも有し、これは、ＣＣＤ（電荷結合素子）又はＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）のいずれかの構成の赤外線カメラ、面走査カメラ、線走査カメラ、又はＴＤＩ（時間遅延積分）多線カメラを含む。

機械視覚ソフトウエアを有するカメラシステム形態の機械視覚システムにより、従来技術に共通する問題を回避し、システムの能力を向上させ極めて正確な屈曲を形成する好適な実施形態が可能となる。

機械視覚システムの一つの用途は、把持工具１１８（図２）を使用して線材を把持し、再把持することである。機械視覚システムで測定された実線材形状の知識に基づき、マニピュレータ１１２及び１１４に対する動作命令を発生することができ、把持工具１１８は、意図する新たな把持位置にある線材に近づき、これを再把持する。

線材のＹ軸に沿って線材を見るために取り付けられたカメラ（図１０の視覚システム部品１１０２）は、弧線材の厚さを測定することができるが、これは屈曲器械のα軸（図２）で回転するためである。この情報により、実際の線材断面と線材に形成された実際の屈曲との双方を再構成することができる。広角レンズが使用される場合、完成された弧線材を一度に見ることができ、線材がマニピュレータ１１２のα軸で自転するので、全弧線材のデジタル測定を行うことができる。これにより、屈曲器械は、完成後直ちに線材の品質検査を行うことができる。一つの弧線材が特定の精度を満足しない場合、それは廃棄され、フィードバックデータである最初の繰り返しからの屈曲誤差測定値を用いて他の弧線材が屈曲される。

弧線材全体を走査する能力に加え、ＳＭＡ（形状記憶合金）線材における超弾性特性の品質検査を行うことも可能である。屈曲器械は完成した弧線材を視覚システム１１０２及び１１０４で走査することに使用できるので、線材を見出し、第１及び第２のマニピュレータ１１２及び１１４の端部に取り付けられた各把持工具で端部を把持することも可能である。そして、マニピュレータ１１２及び１１４は、「引き延ばし運動」を行い、線材をほぼ真っ直ぐな線に延ばすことができる。線材が第２把持工具（図２の１１８）で解放
れると、記憶した形状に１秒か２秒で戻る。その後、線材は、目標形状に戻ったことを検証するために（視覚システム１１０２及び図２のα軸回りの回転を用いて）再度走査される。

視覚システムで収集された断面データは、線材断面とブラケット溝との間の隙間許容値補償用データベースに蓄積されたブラケット情報と共に使用される。線材は、力が加えられる方向で線材がブラケットに強固に連結されるよう、十分な量のトルク、角形成及び回転の少なくとも１つを有する屈曲機械により曲げられる。

また、本実施形態の機械視覚は、マニピュレータ１１２及び１１４を較正するとき、非常に有用である。カメラ視野内の末端効果器の直接測定及び追跡により、又は特殊な較正用線材に形成された屈曲結果の測定により、マニピュレータ機構におけるパラメータの直接測定が可能である。

較正問題の一部は、種々の合金に対して必要な過屈曲値を得ることである。視覚システムは単一屈曲が形成されると直ぐに測定できるため、正確な過屈曲値は、これが見出されるまで繰り返し屈曲して屈曲を測定することにより、自動的に見出すことができる。

従来の技術では、把持器中の線材に実際に接触する領域は、徐々に摩耗する。これにより、遂には線材把持の信頼性が無くなる。線材把持が不十分であると、加熱は、正確に２個の把持器間の線材部分ではなく、把持器と線材の間で生じる。この結果、線材は、効率的処理には柔らかすぎるものとなる。本問題は、ロボット製造器具の操作者には見えず、屈曲精度が測定されるときにも見えないことがある（例えぱ、線材直線部では得られた線材形状の変化はない）。しかしながら、上述の線材加熱自体はかなりの量の赤外光を放射し、これはカメラで見ることができる。したがって、視覚システムの一つの実施形態では、視覚システム部品１１０２と１１０４のいずれかに赤外線カメラを有する。屈曲の長さ方向に沿った赤外光強度を測定すれば、熱の度数分布図を作成でき、この想定された瑕疵を検知することができる。周囲光の値を適切に制御すれば、放射光強度から線材温度を得ることもできる。これにより、適温の線材加熱処理が確実に達成される。

他の実施形態では、面走査カメラに代えて１以上の線走査カメラ（ＣＣＤやＣＭＯＳ）を用いることができる。線材全体又は関心領域は、線材軸又は他の軸に沿ってカメラに対して相対的に移動させて走査し、一連の線状画像を取得し、この一連の線状画像を結合して単一の２次元画像又はそれぞれ異なる視点からの複数の２次元画像とする。線材の移動は、カメラ露出と同期しなければならない。

他の実施形態では、線形配列カメラ（例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳ形式）に代えて、１以上のレーザ・マイクロメータを用いる。線材全体又は関心領域は、線材軸又は他の軸に沿ってカメラに対して相対的に移動させて走査し、一連の線状画像を取得し、この一連の線状画像を結合して単一の２次元画像又はそれぞれ異なる視点からの複数の２次元画像とする。線材の移動は、カメラ露出と同期しなければならない。

他の実施形態では、線カメラと同様の、１以上のＴＤＩ複線（マルチライン）カメラを用いる。線材全体又は関心領域は、線材軸又は他の軸に沿ってカメラに対して相対的に移動させて走査し、一連の線状画像を取得し、この一連の線状画像を結合して単一の２次元画像又はそれぞれ異なる視点からの複数の２次元画像とする。線材の移動は、カメラ露出と同期しなければならない。

［操作方法］
図２の屈曲器械１０８を用いる歯列矯正弧線材整形方法を要約すると、次のとおりである。注意すべきは、説明する工程が直線形状の原材料を必要とするものではなく、寧ろ一般に使用される予備整形面状弧線材のような既に湾曲された弧線材も使用できることである。

制御装置１１０は、製造する線材の幾何形状情報（すなわち線材処方）を含む入力ファイルを受信する。線材は、３次元空間における直線部分の系列として表される。２個の連続直線部分間には屈曲部分が有る。直線部分の相互に対する位置及び方向は、生産する屈曲形状を規定する。制御装置１１０は、各屈曲に対して所望屈曲位置に達するために必要な軸方向移動を計算する。更に、制御装置１１０は、把持工具を線材に沿って移動させ線材に沿って次々に屈曲を形成するのに必要な全ての運動を制御する。

最初の段階では、弧線材１２２が第１把持工具１１６に挿入され、弧線材の一部が第１把持工具から第２把持工具１１８の方向に突出（以下、前方に突出という）し、弧線材１２２の他部が反対方向に突出（以下、後方に突出という）し、線材が第１把持工具１１６で把持されるようにする。

挿入工程は、手動で行うか、又は、大量の線材を生産する産業環境では、図１、１１の取扱ロボット１２０の助けを借りて行う。このような産業環境については、後に本明細書で更に詳細に説明する。

その後の工程段階系列は、次のようになる。

１ 弧線材が第１把持工具１１６の前方へ延びる弧線材部分で第２把持工具１１８に把持されるよう弧線材を位置決めするため、第１把持工具と第２把持工具の少なくとも一方を移動させること

２ 弧線材１２２の第１把持工具１１６前方へ延びる部分を第２把持工具１１８で把持すること

３ 線材を所望形状に変形するため第１把持工具１１６と第２把持工具１１８の少なくとも一方を相互に移動させること

４ 第１把持工具１１６を解放すること

５ 弧線材の第１把持工具１１６後方へ突出する部分で第１把持工具１１６に把持されるよう、第１把持工具１１６と第２把持工具１１８の少なくとも一方を移動させること

６ 第２把持工具１１８を解放すること

段階１〜６は線材処方に従って線材に一連の屈曲や捻りを生じるよう繰り返し、これによって所望構成の弧線材を生産する。

弧線材整形が完了すると、弧線材は、手動で整形機から外されるか、又は屈曲機械１０８周辺部の一部であるロボット１２０のような適当な取扱機で外される。

上記工程段階に関する補足説明を以下に挙げる。

段階１及び５
段階１及び段階５における移動の複雑さは、線材の初期（未変形）状態の形状及び軸の構造に依存する。

原材料の弧線材が湾曲予備整形されている場合、系列の好適な実施形態は次のとおりである。

段階１
第２把持工具１１８の移動は回転と角形成の方向が初期形状弧線材の方向に合致するような配置で行われ、その後、弧線材が第２把持器に挿入されるよう第１把持工具を移動（並進）させる。

段階５
線材を完全に解放するため第１把持工具を移動する。
次段階で第１把持工具に把持される弧線材部分の回転角形成方向の向きを第１把持工具のＸ、Ｙ及びＺ軸座標に合わせるよう第２把持工具を動かし、第１把持器のトルクの向き（長さ軸回りの回転）を把持される弧線材部分に合わせるよう第１把持工具を回転させ、その後、第１把持工具を並進でＸ、Ｙ及びＺ方向に把持位置まで移動させる。

初期線材形状が直線状線材の場合、段階５は、単に第１把持器を線材長さ軸に沿って新たな把持位置まで後方に移動させることになる。

段階３
段階３では、動作開始時の構成における弧線材長に等しい一定距離が固定把持工具と可動把持工具の間に保たれるような動作を行うことが必要であると分かっている。この距離は、線材に張力や圧縮力がかかることを避けるために保たれるものである。可動把持工具は屈曲の間に潜在的に３次元で動くため、保つ必要のある距離は、弧線材長に沿って測定される。このような手法は、W. Butscher他の前掲米国特許で詳細に説明されており、その個々の内容は参照によってここに完全に組み込まれるが、そこでは線材屈曲形状を近似するためにベジエ・スプラインが使用されている。

また、張力又は圧縮力を避けるという問題は、線材長さ軸Ｘｗに平行整列したＸ軸（図２）に平行な方向の屈曲器械１０８全体に付加的並進軸及び関連する第４の直動関節を加えることにより対処できる。この付加的な軸を解放することにより張力や圧縮力をかけずに線材を曲げることが可能となる。線材の累積長偏差を補償するため、段階５で把持器を再位置決めする更なる動作で、Ｘ方向の第４直動関節の実際の移動を測定し、考慮しなければならない。更に、屈曲動作中に力感知器信号を監視することができる。そして、全体形状を確実にするため、補償動作を段階５の更なる動作で考慮する。

段階３におけるマニピュレータ動作の目標位置は、通常は線材の所望屈曲幾何形状に対応しない。それどころか、一定のばね跳ね返り効果を考慮しなければならない。一般には、目標位置は、所望屈曲位置と一定量の過屈曲との和である。過屈曲部分は、所望屈曲位置の形状に大きく依存し、理論的に十分な精度で予測することができない。この問題を解決するため、弾性・塑性特性を有する線材の過屈曲に対する考えが、W. Butscher 他の前掲米国特許に示されており、これは、ここに開示した屈曲器械にも直接用いることができる。この考えは、閉ループ制御に基づいており、必要な形状が形成されるまで数回のループ段階で線材を過屈曲する。ループ内での実際の屈曲形状は、力感知器信号に従い、力とモーメントが測定解像度オーダーである位置（零力位置）へマニピュレータを動かして検知する。この零力位置で残っている線材弾性変形は無視することができ、２個の把持器の相対位置は、解放状態での直線状線材部分の相互に対する相対位置に対応する。この零力位置は、計画屈曲位置と比較される。差が許容限界より大きい場合、差の減少のために追加の屈曲段階が続く。

また、W. Butscher 他の前掲特許は、本屈曲器械にも採用され得る形状記憶合金のような他の線材材料を処理する方法についても記載している。この手法に従うと、これらの線材は屈曲工程の段階３内で所望屈曲位置まで曲げられ、把持器によりこの位置で保持される。そして、２個の把持器間の線材部分は、線材加熱器具により所定温度以上に所定時間熱処理される。熱処理により、線材部分の現変形位置が形状記憶合金の記憶に移される。線材を把持器から解放した後、線材は新形状に留まる。

線材を所与の場所で屈曲又は成形する種々の方法は、効率性、堅牢性又は保守のような理由で必要な場合、一連の異なった屈曲場所に分割することもできる。これは、追加の線材取扱条件になり、必要時間の追加に等しい。この屈曲システムがどのような方法で設計、設定されるかは、製造する線材幾何形状の複雑な構造で決められる。

［製造環境］
図１０は、特注の弧線材を１つずつ連続的に製造するよう設定されている工業生産セル１１００を示し、複数医院のための図１に示されている精密器具サービスセンタの事例である。

線材屈曲機械１０８を超える付加的特徴のための複数の機能は、次のように工業生産セル１１００に統合することができる。

− 線材マガジン１２４からマニピュレータ１１２及び１１４の一つの把持器工具へ線材１２２を供給する線材取扱ロボット１２０。ロボット１２０は、Butscher他の前掲特許に記載されているように、把持工具（例えば図６又は６Ａに示されたもの）を有する６軸線材屈曲ロボットの形態を取ることができる。線材屈曲機械１０８による線材屈曲操作が完了すると、線材取扱ロボット１２０は、線材を線材屈曲機械１０８から取り外し、線材マーキング及び梱包のようなその後の処理のために、図１０では不図示の生産品部へ搬送する。

− 供給工程及び取り外し工程のための接近容易性を提供する追加の軸又はロボット。例えば、１つの把持工具への取扱ロボットによる線材挿入用又は手動による線材挿入用の十分な間隔を設け、挿入位置への移動を可能にするために、１個の屈曲マニピュレータ１１２又は１１４に追加の直動関節と回転関節の少なくとも１つを備えることができる。一つの屈曲マニピュレータ１１２又は１１４の追加軸がこの動作を実行すると想定できる。このような並進又は回転の位置決め軸は、限られた精度要求の下で高速位置決め動作を行うよう設計され、他方、マニピュレータ自体の中の屈曲軸は、数ミリメートルの範囲の高精度動作用に設計される。

− 線材取扱ロボット１２０で把持される複数の真っ直ぐな原材料線材を含む、マガジン１２４等の線材原材料源。

− 図１０には示されていないが、必要な長さを取り、屈曲工程の前又は後に必要に応じて切断する、巻枠に巻いた原料線材源。

− 図１０には示されていないが、主把持器では曲げることができないか、又は滅多にない幾何形状用で、そのため主屈曲機能に統合する意味がない、独立した屈曲用又は成形用の工具。部分的に処理された線材を屈曲器械から取り外し、屈曲器械では作り得ない屈曲を形成する特殊器具に送るために、線材取扱ロボット１２０を用いることができる。このような器具は、ループ屈曲装置でもよい。このような器具は、Butscher他の従来特許に示されている。この器具での成形処理が終了すると、線材取扱ロボット１２０は、線材を屈曲器械１０８に戻し、屈曲工程を終了させる。この追加工具が形状変更のために熱処理段階を要する材料の成形に使用される場合、ポジティブ・ロック（又は、閉鎖形態）に使用される領域は、導電性でない（すなわちセラミックの利用による）ことが必要であり、電流が再成形する領域を制御された方法で流れるようにする。

成形に追加工具を要する場合、取扱ロボット１２０は、第３マニピュレータとして使用される。例えば弧線材にオメガ形状の輪（Ω）を成形しなければならない場合、例えば２０ｍｍの真っ直ぐな線材部分が屈曲機械１０８搭載の２個の把持工具間に保持され、一つの把持器が線材を固定し、他は緩く保持して単に案内する。ここで、把持工具の代り又は一部としてロボット腕端部にＵ形状パンチを備えた取扱ロボット１２０は、線材長さ軸に垂直に線材に向かって移動し、必要に応じて線材を変形し、所望のオメガ形状に至る。この手法を用いて非常に多様な形状を生産することができる。

− 図１０では不図示であるが、患者の口における必要な挿入位置を示す印を線材に付けるマーキングシステム。このような印は、線材を横切る線として描くことができる。印は、２つの歯又は２つのブラケット間の線材中点を示すよう、又は選択したブラケットの中央を示すよう位置決めすることができる。印は、インクジェットシステム又はレーザで作成することができる。特に好ましいのは、線材が患者の処置に使用されている時に見られる永久的な印を線材に形成するためのレーザマーキングである。

− 図１０では不図示であるが、個々の線材自体とその患者への挿入方法を示す印を線材に付けるマーキングシステム。このようなマーキングシステムは、例えばレーザ技術により、データ行列符号又はバーコードを線材に付けることができる。これらのマーキングを読むためには、特殊な走査カメラ（例えば、Ulrich Swiss社がデータ行列符号用に提供するKENUS システム）を利用することができる。このような個々の印により、線材製造から歯列矯正治療に至るまでの識別システム構築が可能となり、梱包の誤り又は梱包から取り出した後の線材の混同による間違いを避けることができる。

− 図１０では不図示であるが、異なる断面又は材料の線材を溶接、圧着、その他の一般的製造技術により結合する結合工具。

− 図１０では不図示であるが、原材料の寸法品質を検査する断面測定工具。

− 図１０では不図示であるが、完成した線材の識別用にラベルを付けるラベル付けシステム。

− 図１０では不図示であるが、線材を暫定箱又は最終箱に入れるための梱包システム。

− 図１０では不図示であるが、線材をブラケット装備の間接的接着トレーに入れる梱包システム。

− 図１０では不図示であるが、製造セルから線材を出す前にこれを収集し、線材の取り違えを防止するため線材が常に固有の場所に確実にあるようにする生産品マガジン。

− 図１０では不図示であるが、マガジンの自動取扱のための運搬システム。

前掲のButscher他の特許に記載された線材製造における特徴の多くは、図１０の製造セルにおける特徴に適用でき、上述しているが、米国特許第６６１２１４３号の図２及び３２〜３５並びにこれに関連する記載を参照でき、その内容は参照によりここに組み込まれる。

［マニピュレータの代替構成］
マニピュレータ１０２及び１０４の好適な実施形態が図２〜４に示されているが、屈曲機械、特に回転関節と直動関節の配置と組合わせの他の設計も可能である。このような関節の駆動軸は、２つのマニピュレータ１１２及び１１４に種々の方法で配分することができる。６軸自由度の複雑な屈曲を可能とするための最低条件は、少なくとも３個の回転軸と３個の並進軸を有することである。原理的には、更に多くの軸を使用することができる。

最低限必要な数である３個の回転軸及び３個の並進軸だけが使用される場合、特に、次のような組み合わせが可能である。

組み合わせＡ 第１マニピュレータ１１２が３個の回転軸（必要ではないが、好ましくは相互に直交）を規定する３個の回転関節を含み、第２マニピュレータ１１４が３個の並進軸（これも必要ではないが、好ましくは相互に直交）を規定する３個の直動関節を含む。

組み合わせＢ 第１マニピュレータが１個の回転軸を規定する１個の回転関節及び３個の並進軸を規定する３個の直動関節を含み、第２マニピュレータが２個の回転軸を規定する２個の回転関節を含む。

組み合わせＣ 第１マニピュレータが２個の回転軸を規定する２個の回転関節及び１個の並進軸を規定する１個の直動関節を含み、第２マニピュレータが１個の回転軸を規定する１個の回転関節及び２個の並進軸を規定する２個の直動関節を含む。

組み合わせＤ 屈曲機械は、３個の回転軸及び３個の並進軸の全てが１個のマニピュレータに集中し、他の把持器が間隔をおいて固定・設置されるというレイアウトを有する。

把持される線材部分の主軸に沿った駆動軸の好適な配置も、必須ではない。６自由度で説明した屈曲を製造するためには、少なくとも３個の回転軸が平行でなく、かつ共通平面上になく、同様に３個の並進軸が平行でなく、かつ共通平面上になければ十分である。しかし、垂直でない回転軸と並進軸を有するこの一般的事例は、回転軸と並進軸がほぼ直交系を形成するよう配置された事例に比較すると、好ましからざるマニピュレータ動作を引き起こす。

［所望屈曲形状の複雑さの減少］
前記実施形態は、弧線材に６自由度の屈曲を与えるよう設計され、上述の軸数と配列に関する最低条件に従わねばならない。しかしながら、屈曲に望まれる自由度が６未満であれば、軸数を減らすことが可能である。

例えば、線材長さ軸Ｘｗ（図２、３参照）に整列した回転軸αを消去すると、トルク部品を除き、任意形状の屈曲形成が可能である。このような縮小した実施形態は、例えば、トルクが役に立たない円形線材断面と組み合わせると有用である。

更に、角形成（図２、４参照）を行う回転軸β及び弧線材に垂直な方向に移動を行うＺ並進軸（図２）を消去すると、所謂面状弧線材を生産することが可能である。この面状弧線材は弧線材の咬合面に屈曲のみを有し、歯列矯正処置において処置の初期段階でしばしば使用される。

したがって、本発明の一つの可能な実施形態は、細長い、屈曲可能な医療器具（例、弧線材）を正確に曲げ、当初の形状を所望の新たな形状とする機械（１０８）の形態を取り、制御回転軸を規定する一つの回転関節（又は、任意であるが、２個の回転関節）、制御並進軸を規定する少なくとも３個の直動関節を含み、並進軸は、相互に平行でなく、１平面内にないよう相互に配置され、回転関節及び少なくとも３個の直動関節は、第１の小型可動マニピュレータ１１２と第２の独立した小型可動マニピュレータ１１４を含む小型屈曲器械となるよう任意の方法で組み合わされ、
第１マニピュレータに取り付けられた第１把持工具１１６及び第２マニピュレータに取り付けられた第２把持工具１１８を含み、前記把持工具の各々は前記医療器具を解放可能に保持する把持構造を有し、第１及び第２のマニピュレータは、第１及び第２の把持工具が４自由度（第２の回転軸を含む場合は５自由度）で相互に動きうるように配置されており、
医療器具に屈曲を形成しうるよう動作可能な、第１及び第２のマニピュレータ並びに第１及び第２の把持工具の制御装置を含む。

この縮小実施形態は、この説明では具体的に取り扱われていないが、当然のことながら、当業者であれば、複雑さを減少させた実施形態の生成に６自由度の実施形態の説明を容易に使用することができる。

［線材筒処理］
上述のように、本開示の屈曲機械は、種々の加工対象物を曲げることができる。中実の線材に代えて、筒を使用し、ある種の治療計画に有益な他の機械的特性の構成とすることができる。

このような筒を曲げるには、座屈を起こさないようにすることが多くの場合必要である。これは、屈曲中に筒を加熱することで実現できる。他の実施形態では、座屈防止可能な物質、例えば後で硬化させる液体又は圧縮若しくは加圧された気体を筒に充填する。

［軸運動計算］
従来技術（W. Butscher 他の前掲特許参照）で知られている標準的な工業用６軸ロボットを有する屈曲器械では、所望の屈曲位置は、６軸ロボットの制御器に直接送信できる。制御器は、所望屈曲位置を個々の関節運動に分割し、運動経路全体を制御する。

ここに開示した屈曲器械の場合、軸運動と個々の把持工具との空間運動の関係を計算するため、２個のマニピュレータ１１２及び１１４に対する運動学的方程式が必要となる。２個の把持器の互いに対する相対運動は、屈曲位置を示している。当然ながら、この方程式は、屈曲位置（上述した製造段階の段階３）だけでなく、解放、離隔及び接近の運動のような他の全ての運動にも適用される。

ロボットマニピュレータ（１１２、１１４）は、種々の関節により互いに結合された一組のリンクと見なすことができる。ｎ個の関節を有するロボットマニピュレータは、ｎ＋１個のリンクを有する。関節は、添え字ｊ＝１・・・ｎで参照され、リンクは、ｊ＝０・・・ｎと番号付けされる。リンク０は、基部に取り付けられ、固定されている。運動学的解析を行うため、座標系が各リンクに付随している。座標系を割り当てる一般的で組織的な手法は、Denavit-Hartenberg法である。Denavit, J. 及びHartenberg, R. S.著「A kinematic notation for lower pair mechanisms based on Matrices」(Journal of Applied Mechanics、第７７巻、第２１５〜２２１頁、１９５５年６月）参照。その内容は、参照によってここに組み込まれる。

この手法では、座標系のｚ軸は、回転関節の回転軸に整列している。直動関節に対しては、ｚ軸は、正の運動方向を表すように整列している。

リンク（ｊ−１）から次のリンク（ｊ）への遷移は、同次変換によって記述される。座標系がDenavit-Hartenberg法で規定される場合、この変換は、次の一般形態を取る。

基部システムから把持工具の把持点までの完全な変換を得る方法は、単一関節の変換全てを掛けて計算し、最終的な変換行列Ｔを得ることである。この行列Ｔは、関節の値と固定基部システムに対する把持工具把持点の位置・方向との関係を記述する（すなわち、順運動学）。この行列は、当業者であれば、先の記載及び前記Denavit 他の論文の開示から得ることができる。

本開示の屈曲器械を実際に実現するとき、直交配置が設計上の計画であるが、正確な直交配置に対して僅かな軸の偏差はあり得る。較正によりこの偏差が検知され、適当なリンクパラメータが設定されると、順運動学の公式は、実際のマニピュレータの挙動を反映する。しかし、先に説明した、屈曲位置をマニピュレータの部分空間に変換する手法や関節値の計算は、正確な結果を返すものではない。

直交配置からの偏差が僅かな場合には、この手法は未だ使用可能である。そのとき、関節の値は、繰り返しループ内で計算される。最初の実行では、関節の値は、計画された屈曲位置に基づいて計算される。そして、実際に達成された屈曲位置が計算され、計画上の屈曲位置と比較される。そして、差が限界値より大きい場合、計画された屈曲位置に補償運動を加えて新たな目標位置が規定される。その後、この目標位置に対する関節値が同様に評価され、実際に達成された屈曲位置が再計算される。

軸の直交、又は少なくとも直交に近い配置は本屈曲器械の好ましい設計方法を示しているが、非直交軸系に関する他の設計も可能である。この場合、必要な数学は更に複雑になるが、説明した手法に関して大きな違いはない。一般的な屈曲位置を任意の方向を有する所与の３回転軸に分割する工程は、文献に示されている。J. Wittenburg及びL. Lilov著「Decomposition of a Finite Rotation into Three Rotations about Given Axes」［Journal Multibody System Dynamics、Springer社、オランダ、ISSN1384-5640（印刷）、1573-272X（オンライン）、第９巻第４号、２００３年５月、DOI 10.1023/A:1023389218547、第３５３〜３７５頁］を参照。これは、参照により組み込まれる。

逆運動学を単に係数比較で解くために説明されている方法は直交配置以外には有効でないので、このようなシステムを解くには数値的手法が利用できる。例えば、Anthony A. Maciejewski及びCharles A. Klein著「The Singular Value Decomposition: Computation and Applications to Robotics」［The International Journal of Robotics Research、第８巻第６号、第６３〜７９頁（１９８９年）、DOI: 10.1177/027836498900800605］を参照。これは、参照により組み込まれる。

［較正］
より高い精度を達成するため、又は設備の設定を検査し調整するために較正を望む場合、提案した機械の運動学的配置は、この作業を大いに簡単化する。

提案した屈曲中心部を較正するため、或る軸の運動を実行し、実際の線材の運動をカメラシステムで測定する。所望の運動と実際の運動とを比較することにより、駆動軸の正確な位置と方向を決定できる。全ての軸の正確な位置と方向に基づいて、屈曲中心部の実際のモデルを開発することができる。そして、必要な運動は、この実際のモデルに基づいて計算できる。

以下の条項は、開示発明について更に説明するものである。

１ 細長い、屈曲可能な医療器具（例、弧線材１２２）を当初形状から新たな所望形状に正確に曲げる機械であって、
回転軸のいずれも平行でなく、回転軸が１平面内にないように相互に配置された制御回転軸（α、β、γ）を規定する少なくとも３個の回転関節（２０８、２１０、２１２）と、
並進軸が相互に平行でなく、並進軸が１平面内にないように相互に配置された制御並進軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を規定する少なくとも３個の直動関節（２０２、２０４、２０６）と、
を含み、
少なくとも３個の回転的関節及び少なくとも３個の線状駆動部は、第１小型可動マニピュレータ（１１２）及び第２の独立した小型可動マニピュレータ（１１４）を含む小型屈曲器械（１０８）となるよう任意の方法で組み合わされており、
第１マニピュレータに取り付けられた第１把持工具及び第２マニピュレータに取り付けられた第２把持工具（１１８）であって、各前記把持工具が前記医療器具を解放可能に保持するための把持構造（図７）を持ち、第１及び第２の把持工具が６自由度で相互に運動できるように第１及び第２のマニピュレータが配置されたものと、
医療器具に屈曲を形成するために第１及び第２のマニピュレータ並びに第１及び第２の把持工具で動作可能な制御装置（１１０）と
を含む機械。

２ 医療器具の当初形状が直線状である、条項１に記載の機械。

３ 医療器具の当初形状が１平面内の湾曲形状である、条項１に記載の機械。

４ 医療器具が歯列矯正弧線材を含む、条項１〜３のいずれかに記載の機械。

５ 屈曲する医療器具を第１及び第２の把持工具に供給する取扱ロボット（図１及び１１の１２０）を更に含む、条項１〜４のいずれかに記載の機械。

６ 屈曲の前後においてマニピュレータの運動及び医療器具の形状を監視する視覚システム（図１０の１１０２と１１０４の少なくとも一方）を含む、条項１〜５のいずれかに記載の機械。

７ 医療器具が、人工器官、整形外科用器具、埋込具、ステント、固定板、眼鏡枠及び外科用具から成るグループから選択された医療器具を含む、条項１〜６のいずれかに記載の機械。

８ 第１マニピュレータがＸ、Ｙ、Ｚ直交座標系に配置された３個の線状駆動部及び１個の回転的関節（図２及び３）を含み、第２マニピュレータが２個の回転的関節（図２及び４）を含む、条項１〜７のいずれかに記載の機械。

９ 第１マニピュレータに取り付けられた第１把持工具がコレットを含み、第２マニピュレータに取り付けられた第２把持工具が一対の対向する把持指（図７）を含む、条項１〜８のいずれかに記載の機械。

１０ 医療器具が長さ方向軸を規定し、医療器具を把持している間に第１マニピュレータが医療器具の長さ方向軸回りに回転可能である、条項８に記載の機械。

１１ 第２マニピュレータの２個の回転的関節が医療器具の断面軸に一致する、条項８に記載の機械。

１２ 周囲温度より高い温度に把持工具を加熱する手段を更に含む、条項１〜１１のいずれかに記載の機械。

１３ 医療器具により屈曲器械に与えられる力を測定するために第１及び第２の把持工具（図６Ａ）に結合された力測定システムを更に含む、条項１〜１２のいずれかに記載の機械。

１４ 把持工具の一つが把持指を含み、把持指が把持板装置（図６の６０１）に組み込まれている、条項１〜１３のいずれかに記載の機械。

１５ 把持工具の一つが把持指を含み（図７）、把持工具が把持指の部分開放を含む制御可能な開放運動を支持する電気機械アクチュエータを含む、条項１〜１４のいずれかに記載の機械。

１６ 部分開放により医療器具が把持機構から滑り抜け、この滑りのとき医療器具と把持指の間の接触が失われない、条項１６に記載の機械。

１７ 把持工具の一つが把持指を含み、把持指が屈曲の輪郭形状を規定する端縁を含む（図９Ｂ及び９Ｃ）、条項１〜１６のいずれかに記載の機械。

１８ 屈曲の輪郭形状が湾曲面を持つ溝を含む、条項１７に記載の機械。

１９ 屈曲機械で曲げる間、医療器具を加熱する加熱システムを更に含む、条項１〜１８のいずれかに記載の機械。

２０ 加熱システムが第１及び第２の把持工具１１６及び１１８を介して医療器具に電流を供給する電源を含む、条項１９に記載の機械。

２１ 医療器具が長さ方向軸並びに第１及び第２の断面方向軸を含み、視覚システムが断面方向軸の一つに沿って医療器具を見るよう方向付けられたカメラを含む、条項６に記載の機械。

２２ 医療器具が、長さ方向軸Ｘと、軸Ｙ及びＺを持つ矩形断面を備える歯列矯正弧線材を含み、視覚システムがＹ軸に沿って弧線材を見るよう方向付けられたカメラを含む（図１０の視覚システム部品１１０４）、条項２１に記載の機械。

２３ 医療器具が歯列矯正弧線材（１２２）を含み、弧線材が形状記憶合金で形成され、制御装置が、（１）ほぼ直線状態で弧線材を把持して移動させる第１及び第２のマニピュレータ並びに第１及び第２の把持工具に対して動作可能で、（２）弧線材が第１及び第２のマニピュレータの一つから解放され、以前に屈曲器械により弧線材に形成されていた形状を再度とった後に弧線材の形状を走査する視覚システムについて動作可能である、条項２１に記載の機械。

２４ 屈曲器械による保持の間に医療器具の赤外線映像を取得するよう動作可能なカメラを視覚システムが含む、条項２１に記載の機械。

２５ 医療器具を屈曲する方法であって、
第１の小型可動マニピュレータ及び独立した第２の小型可動マニピュレータを含む小型屈曲器械を提供し、屈曲器械が第１マニピュレータに取り付けられた第１把持工具及び第２マニピュレータに取り付けられた第２把持工具を含み、前記把持工具の各々が前記医療器具を解放可能に保持する把持構造を持ち、第１及び第２の把持工具が６自由度で相互に動き得るよう第１及び第２のマニピュレータを構成・配置すること、
第１及び第２の把持工具で医療器具を把持すること、
医療器具に屈曲と捻りの少なくとも一方を形成するよう第１及び第２の把持工具並びに第１及び第２のマニピュレータの運動を正確に制御すること
を含む方法。

２６ 医療器具に屈曲と捻りの少なくとも一方を与える間、第１及び第２の把持工具を周囲状態より高温に加熱する段階を更に含む、条項２５に記載の方法。

２７ 医療器具に屈曲と捻りの少なくとも一方を与える間、医療器具を周囲状態より高温に加熱する段階を更に含む、条項２５又は２６に記載の方法。

２８ 医療器具に屈曲と捻りの少なくとも一方を与える間、医療器具の赤外線画像を生成する段階を更に含む、条項２７に記載の方法。

２９ 医療器具が歯列矯正弧線材を含む、条項２７に記載の方法。

３０ 弧線材が形状記憶合金で形成される、条項２９に記載の方法。

３１ 完全な弧線材を形成するよう屈曲又は捻りの少なくとも一方を弧線材に多数形成すること、線材を実質的に真っ直ぐにすること、線材が弛緩状態になるようにすること、その後視覚システムで線材の形状を測定することの段階を更に含む、条項２９に記載の方法。

３２ 視覚システムで医療器具の形状を測定する段階を更に含む、条項１〜３１のいずれかに記載の方法。

３３ 医療器具が、長さ方向軸Ｘと、軸Ｙ及びＺを持つ矩形断面を有する歯列矯正弧線材を備え、視覚システムがＹ軸に沿って弧線材を見るよう方向付けられたカメラを含む、条項２５〜３１のいずれかに記載の方法。

３４ 屈曲器械が複雑性の減少した屈曲器械の形態であり、３個の直動関節及び１個又は２個の回転関節を有し、それぞれ把持工具を備える２個の独立した小型マニピュレータに組み合わされ配置されるようにした、条項１〜２５のいずれかに記載の屈曲器械。

３５ 第１マニピュレータが３個の直動関節を含み、第２小型マニピュレータが１個又は２個の回転関節を含む、条項３４に記載の屈曲器械。

以上、多数の例示的態様や実施形態について論じてきたが、当業者であれば本開示中にその変形、置換、付加及び部分的組み合わせが存在することを認識できる。したがって、目的とするのは、以下に添付した請求範囲及び今後の請求範囲がこのような全ての変形、置換、付加及び部分的組み合わせを、その真の精神と範囲内で含んでいると理解することである。

（好ましい態様）
（１） 細長い、屈曲可能な医療器具を当初形状から新たな所望形状に正確に曲げる機械であって、
回転軸のいずれも平行でなく、回転軸が一平面内にないように相互に配置された制御回転軸を規定する少なくとも３個の回転関節と、
並進軸が相互に平行でなく、並進軸が一平面内にないように相互に配置された制御並進軸を規定する少なくとも３個の直動関節と、
を備え、
少なくとも３個の回転関節及び少なくとも３個の直動関節は、第１小型可動マニピュレータ及び独立した第２小型可動マニピュレータを含む小型屈曲器械となるよう任意の方法又は順序で組み合わされており、
第１マニピュレータに取り付けられた第１把持工具及び第２マニピュレータに取り付けられた第２把持工具であって、各前記把持工具が前記医療器具を解放可能に保持するための把持構造を持っており、第１及び第２の把持工具が６自由度で相互に運動できるように第１及び第２のマニピュレータが配置されたものと、
医療器具に屈曲を形成するために第１及び第２のマニピュレータ並びに第１及び第２の把持工具に対して動作可能な制御装置と
を含む機械。
（２） 前記医療器具の当初形状が直線状である、（１）に記載の機械。
（３） 前記医療器具の当初形状が一平面内の湾曲形状である、（１）に記載の機械。
（４） 前記医療器具が歯列矯正弧線材を含む、（１）に記載の機械。
（５） 屈曲させる医療器具を第１及び第２の把持工具に供給する取扱ロボットを更に含む、（１）に記載の機械。
（６） 屈曲の前後においてマニピュレータの運動及び医療器具の形状を監視する視覚システムを含む、（１）に記載の機械。
（７） 前記医療器具が、人工器官、整形外科用器具、埋込具、ステント、固定板、眼鏡枠及び外科用具から成るグループから選択された医療器具を含む、（１）に記載の機械。
（８） 第１マニピュレータがＸ、Ｙ、Ｚ直交座標系に配置された３個の直動関節及び１個の回転関節を含み、第２マニピュレータが２個の回転関節を含む、（１）に記載の機械。
（９） 第１マニピュレータに取り付けられた第１把持工具がコレットを含み、第２マニピュレータに取り付けられた第２把持工具が一対の対向する把持指を含む、（１）に記載の機械。
（１０） 医療器具が長さ方向軸を規定し、医療器具を把持している間に第１マニピュレータが医療器具の長さ方向軸回りに回転可能である、（８）に記載の機械。
（１１） 第２マニピュレータの２個の回転関節が医療器具の断面軸に一致する、（８）に記載の機械。
（１２） 周囲温度より高い温度に把持工具を加熱する手段を更に含む、（１）に記載の機械。
（１３） 医療器具により屈曲機械に与えられる力を測定するために第１及び第２の把持工具に結合された力測定システムを更に含む、（１）に記載の機械。
（１４） 把持工具の一つが把持指を含み、把持指が把持板に組み込まれている、（１）に記載の機械。
（１５） 把持工具の一つが把持指を含み、把持工具が把持指の部分開放を含む制御可能な開放運動を支持するアクチュエータを含む、（１）に記載の機械。
（１６） 部分開放により医療器具が把持機構から滑り抜け、この滑りのとき医療器具と把持指の間の接触が失われない、（１５）に記載の機械。
（１７） 把持工具の一つが把持指を含み、把持指が屈曲の輪郭形状を規定する端縁を含む、（１）に記載の機械。
（１８） 屈曲の輪郭形状が湾曲面を持つ溝を含む、（１７）に記載の機械。
（１９） 屈曲機械で曲げるとき医療器具を加熱する加熱システムを更に含む、（１）に記載の機械。
（２０） 加熱システムが第１及び第２の把持工具を介して医療器具に電流を供給する電源を含む、（１９）に記載の機械。
（２１） 医療器具が長さ方向軸並びに第１及び第２の断面方向軸を含み、視覚システムが断面方向軸の一つに沿って医療器具を見るよう方向付けられたカメラを含む、（６）に記載の機械。
（２２） 医療器具が、長さ方向軸Ｘと、軸Ｙ及びＺを持つ矩形断面を有する歯列矯正弧線材を含み、視覚システムがＹ軸に沿って弧線材を見るよう方向付けられたカメラを含む、（２１）に記載の機械。
（２３） 医療器具が歯列矯正弧線材を含み、弧線材が形状記憶合金で形成され、制御装置が、ｉ）ほぼ直線状態で弧線材を把持して移動させる第１及び第２のマニピュレータ並びに第１及び第２の把持工具に対して動作可能で、ｉｉ）弧線材が第１及び第２のマニピュレータの一つから解放され、以前に屈曲器械により弧線材に形成されていた形状を再度とった後に弧線材の形状を走査する視覚システムについて動作可能である、（２１）に記載の機械。
（２４） 屈曲器械による保持の間に医療器具の赤外線映像を取得するよう動作可能なカメラを視覚システムが含む、（２１）に記載の機械。
（２５） 医療器具を屈曲する方法であって、
第１の小型可動マニピュレータ及び独立した第２の小型可動マニピュレータを含む小型屈曲器械を提供し、屈曲器械が第１マニピュレータに取り付けられた第１把持工具及び第２マニピュレータに取り付けられた第２把持工具を含み、前記把持工具の各々が前記医療器具を解放可能に保持する把持構造を持ち、第１及び第２の把持工具が６自由度で相互に動き得るよう第１及び第２のマニピュレータを構成・配置すること、
第１及び第２の把持工具で医療器具を把持すること、
医療器具に屈曲と捻りの少なくとも一方を形成するよう第１及び第２の把持工具並びに第１及び第２のマニピュレータの運動を正確に制御すること
を含む方法。
（２６） 医療器具に屈曲と捻りの少なくとも一方を与える間、第１及び第２の把持工具を周囲状態より高温に加熱する段階を更に含む、（２５）に記載の方法。
（２７） 医療器具に屈曲と捻りの少なくとも一方を与える間、医療器具を周囲状態より高温に加熱する段階を更に含む、（２５）に記載の方法。
（２８） 医療器具に屈曲と捻りの少なくとも一方を与える間、医療器具の赤外線画像を生成する段階を更に含む、（２７）に記載の方法。
（２９） 医療器具が歯列矯正弧線材を含む、（２７）に記載の方法。
（３０） 弧線材が形状記憶合金で形成される、（２９）に記載の方法。
（３１） 完全な弧線材を形成するよう屈曲又は捻りの少なくとも一方を弧線材に多数形成すること、線材を実質的に真っ直ぐにすること、線材が弛緩状態になるようにすること、その後視覚システムで線材の形状を測定することの段階を更に含む、（２９）に記載の方法。
（３２） 視覚システムで医療器具の形状を測定する段階を更に含む、（２５）に記載の方法。
（３３） 医療器具が、長さ方向軸Ｘと、軸Ｙ及びＺを持つ矩形断面を有する歯列矯正弧線材を含み、視覚システムがＹ軸に沿って弧線材を見るよう方向付けられたカメラを含む、（２５）に記載の方法。
（３４） 細長い、屈曲可能な医療器具を当初形状から新たな所望形状に正確に曲げる機械であって、
制御回転軸を規定する回転関節と、
並進軸が相互に平行でなく、並進軸が一平面内にないように相互に配置された制御並進軸を規定する少なくとも３個の直動関節と、
を含み、
回転関節及び少なくとも３個の直動関節は、第１小型可動マニピュレータ及び独立した第２小型可動マニピュレータを含む小型屈曲器械となるよう任意の方法又は順序で組み合わされており、
第１マニピュレータに取り付けられた第１把持工具及び第２マニピュレータに取り付けられた第２把持工具で、各前記把持工具が前記医療器具を解放可能に保持するための把持構造を持ち、第１及び第２の把持工具が４自由度で相互に運動できるように第１及び第２のマニピュレータが配置されたものと、
医療器具に屈曲を形成するために第１及び第２のマニピュレータ並びに第１及び第２の把持工具に対して動作可能な制御装置と
を含む機械。
（３５） 更に第２回転関節を含み、該第２回転関節が第１又は第２のマニピュレータに組み込まれる、（３４）に記載の機械。
（３６） 第１マニピュレータが３個の直動関節を含み、第２マニピュレータが回転関節を含む、（３４）に記載の機械。

１００ ワークステーション、１０４ コンピュータネットワーク、１０６ 精密器具製造センター、１０８ 屈曲機械、１１０ 制御装置、１１２ 第１マニピュレータ、１１４ 第２マニピュレータ、１１６ 第１把持工具、１１８ 第２把持工具、１２０ ロボット。

Claims (16)

1. 弧線材を屈曲させるための屈曲装置の一部を構成する機械視覚システムであって、
   前記屈曲装置の第１のマニピュレータに近接して配置された第１の視覚部品と、
   前記屈曲装置の第２のマニピュレータに近接して配置された第２の視覚部品とを備えていて、
   前記第１及び第２の視覚部品は、前記屈曲装置により前記弧線材を屈曲させるときに、前記弧線材の走査を実施し、
   該機械視覚システムは前記弧線材の実際の形状の測定を行い、これにより前記屈曲機械が、前記弧線材を、当初の形状から所望の新たな望形状に正確に屈曲させることを可能にしていることを特徴とする機械視覚システム。
2. 前記第１及び第２の視覚部品がカメラを有することを特徴とする、請求項１に記載の機械視覚システム。
3. 前記カメラが赤外線カメラを有することを特徴とする、請求項２に記載の機械視覚システム。
4. 前記カメラが面走査カメラを有することを特徴とする、請求項２に記載の機械視覚システム。
5. 前記カメラが線走査カメラを有することを特徴とする、請求項２に記載の機械視覚システム。
6. 屈曲装置の複数のマニピュレータを較正する方法であって、
   （ａ）前記複数のマニピュレータの中から選択された１つのマニピュレータの軸を移動させるととともに、前記複数のマニピュレータによって保持された線材の移動の結果を測定するステップと、
   （ｂ）前記各マニピュレータの各軸に対してステップ（ａ）を繰り返し実施するとともに、前記線材の移動の結果を測定するステップと、
   （ｃ）前記各マニピュレータの各軸の各移動を記録するとともに、これに対応する前記線材の移動の測定結果を記録し、これにより前記複数のマニピュレータを較正するステップとを有することを特徴とする方法。
7. 前記複数の軸を、互いに並進方向に移動させることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記複数の軸を、互いに回転方向に移動させることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
9. 前記複数の軸を、互いに並進方向及び回転方向に移動させることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
10. 前記線材の前記移動の結果を、視覚システムによって測定することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
11. 前記視覚システムは、前記線材における単一屈曲を屈曲形成後直ちに測定することができるようになっていて、屈曲と屈曲の測定とを、過屈曲値が見出されるまで繰り返し実施することにより、前記線材に対する正確な過屈曲値を自動的に得ることができることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記線材が、種々の合金のうちの１つの合金で形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 弧線材を屈曲させる方法であって、
    ａ． 第１の把持工具及び第２の把持工具のうちの少なくとも一方を移動させて前記弧線材を位置決めし、これにより、前記第１の把持工具の前方から伸びている前記弧線材の一部分で、前記第２の把持工具によって前記弧線材を把持するステップと、
    ｂ． 前記第１の把持工具の前記前方へ伸びている前記弧線材の前記一部分を、前記第２の把持工具で把持するステップと、
    ｃ．前記第１の把持工具及び前記第２の把持工具のうちの少なくとも一方を互いに相対的に移動させて、前記線材を前記所望の形状に変形させるステップと、
    ｄ．前記第１の把持工具を解放するステップと、
    ｅ．前記第１の把持工具及び前記第２の把持工具のうちの少なくとも一方を移動させて前記弧線材を位置決めし、これにより、前記第１の把持工具の後方に突出している前記弧線材の前記部分を、前記第１の把持工具により把持するステップと、
    ｆ．前記第２の把持工具を解放するステップと、
    ｇ．ステップａ〜ｆを繰り返し実施し、前記線材の製法に従って前記線材に一連の屈曲及び捻りうちの少なくとも一方を生成し、これにより所望の形状の弧線材を生成するステップとを有することを特徴とする方法。
14. 複数のマニピュレータを備えた屈曲装置を用いて管状の線材を屈曲させるステップを有する管状の線材を屈曲させる方法であって、前記屈曲を、前記管状の線材の座屈を防止するような態様で実施することを特徴とする方法。
15. 前記管状の線材の前記座屈を、前記管状の線材を屈曲させつつ加熱することにより防止することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記管状の線材の前記座屈を、前記管状の線材に、座屈を防止することが可能な物質、例えばその後に硬化する液体、又は圧縮もしくは加圧された気体を充填することにより防止することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。

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