JP5265769B2 - 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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (36)
- 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、
第1把持工具及び第2把持工具とは独立した取扱ロボットであって、医療器具を曲げる屈曲工程の最初に、該第1把持工具又は第2把持工具のいずれかに該医療器具を挿入し、該屈曲工程が終了すると、該第1把持工具又は第2把持工具から該医療器具を取り外すものと
を含む機械。 - 前記医療器具の当初形状が直線状である、請求項1に記載の機械。
- 前記医療器具の当初形状が一平面内の湾曲形状である、請求項1に記載の機械。
- 前記医療器具が歯列矯正弧線材を含む、請求項1に記載の機械。
- 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、請求項1に記載の機械。
- 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、請求項1に記載の機械。
- 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、請求項1に記載の機械。
- 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、請求項1に記載の機械。
- 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、請求項1に記載の機械。
- 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、請求項8に記載の機械。
- 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、請求項8に記載の機械。
- 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、請求項1に記載の機械。
- 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、請求項1に記載の機械。
- 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、請求項1に記載の機械。
- 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、請求項1に記載の機械。
- 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、請求項15に記載の機械。
- 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、請求項1に記載の機械。
- 屈曲の輪郭形状が湾曲面を持つ溝を含む、請求項17に記載の機械。
- 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、請求項1に記載の機械。
- 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、請求項19に記載の機械。
- 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、請求項6に記載の機械。
- 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、請求項21に記載の機械。
- 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、(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、請求項21に記載の機械。
- 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、請求項21に記載の機械。
- 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・配置することと、
第1把持工具及び第2把持工具とは独立した取扱ロボットでもって、曲げるべき医療器具を曲げる屈曲工程の最初に、該第1把持工具又は第2把持工具のいずれかに該医療器具を挿入することと、
第1及び第2の把持工具で医療器具を把持することと、
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と
を含む方法。 - 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、請求項25に記載の方法。
- 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、請求項25に記載の方法。
- 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、請求項27に記載の方法。
- 医療器具が歯列矯正弧線材を含む、請求項27に記載の方法。
- 弧線材が形状記憶合金で形成される、請求項29に記載の方法。
- 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、請求項29に記載の方法。
- 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、請求項25に記載の方法。
- 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、請求項25に記載の方法。
- 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、
第1把持工具及び第2把持工具とは独立した取扱ロボットであって、医療器具を曲げる屈曲工程の最初に、該第1把持工具又は第2把持工具のいずれかに該医療器具を挿入し、該屈曲工程が終了すると、該第1把持工具又は第2把持工具から該医療器具を取り外すものと
を含む機械。 - 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、請求項34に記載の機械。
- 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、請求項34に記載の機械。
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