ES2555581T3

ES2555581T3 - Trinquete eléctrico para un destornillador eléctrico

Info

Publication number: ES2555581T3
Application number: ES12719870.3T
Authority: ES
Inventors: Christopher L. FAIR; Michael L. Koltz, Jr.
Original assignee: Medtronic Xomed LLC
Current assignee: Medtronic Xomed LLC
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2016-01-05
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: KR20150138397A; CA2834582C; KR101767176B1; JP2014517774A; WO2012149023A1; CA2834582A1; EP2701879B1; KR101571328B1; US9408653B2; AU2012249830A1; BR112013027796A2; US20140327382A1; US8786233B2; CN103596730B; AU2012249830B2; JP5989764B2; CN103596730A; US20120274253A1; EP2701879A1; KR20140021011A

Abstract

Un sistema de destornillador eléctrico (100) que comprende: un alojamiento de destornillador (105) que tiene una parte de asidero (106) configurada para el agarre por parte de un usuario; un motor dispuesto dentro del alojamiento, comprendiendo el motor un estator y un rotor, estando el rotor dispuesto rotacionalmente dentro del estator; un extremo de trabajo (116) que proporciona una salida rotacional, estando el extremo de trabajo acoplado mecánicamente al rotor; una fuente de energía (114) dispuesta para proporcionar energía al motor; caracterizada por que un controlador (104) dispuesto para recibir señales representativas de un estado de motor sobre la base de las señales recibidas, con el fin de controlar el motor de una manera que proporcione una capacidad de trinquete eléctrico.

Description

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DESCRIPCION

Trinquete electrico para un destornillador electrico CAMPO DE LA INVENCION

La presente invencion se refiere generalmente al campo de sistemas de atornillado, y mas particularmente a sistemas de atornillado que tienen sistemas de trinquete.

ANTECEDENTES

Los destornilladores electricos son mucho mas eficientes que los destornilladores manuales para atornillar tornillos y pernos. Sin embargo, si no se tiene mucho cuidado, los destornilladores electricos pueden sobreapretar o sobregirar los tornillos o pernos. En algunas aplicaciones criticas, tales como en aplicaciones quirurgicas, los usuarios pueden atornillar los tornillos manualmente para evitar el sobreapriete o para orientar un tornillo o perno atornillados a una posicion rotacional deseada. En estos casos, un usuario puede atornillar un tornillo con un destornillador electrico hasta que el tornillo empieza a aproximarse a la ubicacion critica. Entonces, con el fin de reducir la posibilidad de sobreapriete o sobregiro, el usuario puede apartar el destornillador electrico y apretar manualmente el tornillo con un trinquete o un destornillador manual.

Los trinquetes son mas eficientes que los destornilladores manuales para apretar tornillos o pernos porque impiden la rotacion en el sentido de atornillado y proporcionan rotacion continua en giro libre en el otro. En consecuencia, en aplicaciones quirurgicas a menudo se prefieren los destornilladores de trinquete a los manuales. Los trinquetes convencionales utilizan montajes mecanicos entre el asidero de una herramienta destornilladora y el equipo fisico que se esta atornillando. Por ejemplo, los montajes de trinquete mecanico convencionales incluyen sistemas de engranajes, superficies de alta friccion con garras, pinones con dientes y garras, o fijadores de retroceso para limitar mecanicamente la rotacion en un sentido.

Estos trinquetes convencionales requieren grandes montajes mecanicos que aumentan tanto el tamano de la herramienta en su conjunto como el peso total. Por ejemplo, los alojamientos de trinquete deben tener un tamano para acomodar los sistemas de trinquete mecanico. Ademas, estos montajes mecanicos anaden masa al trinquete y posteriormente anaden inercia adicional a los componentes rotatorios de la herramienta. Sistemas mas grandes y mas pesados pueden aumentar la fatiga del operario y/o lesionar al operario, lo que potencialmente tiene como resultado una punteria menos eficaz con el tornillo. Esto puede afectar al resultado quirurgico en el paciente.

El dispositivo y los procedimientos divulgados en el presente documento vencen uno o mas de los inconvenientes tratados anteriormente y/o de la tecnica anterior, como se conoce por ejemplo a partir del documento US-A- 6.199.642.

SUMARIO

La presente divulgacion se dirige a un sistema de destornillador electrico que tiene un trinquete electrico.

De acuerdo con un aspecto, la presente divulgacion se dirige a un sistema de destornillador electrico que incluye un alojamiento de destornillador que tiene una parte de asidero configurada para ser agarrada por un usuario e incluye un motor dispuesto dentro del alojamiento. El motor incluye un estator y un rotor con el rotor dispuesto rotacionalmente dentro del estator. Un extremo de trabajo proporciona una salida rotacional y esta acoplado mecanicamente al rotor. Una fuente de energia proporciona energia al motor. Un controlador recibe senales representativas de un estado de motor y, basandose en las senales recibidas, controla el motor de una manera que proporcione una capacidad de trinquete electrico.

En un aspecto, el controlador esta configurado para recibir senales indicativas de una ubicacion del rotor relativa al estator y esta configurado para alimentar el motor para que mantenga una posicion deseada del rotor relativa al estator en un primer sentido. En otro aspecto, el controlador esta configurado para permitir la rotacion en giro libre del rotor relativa al estator en un segundo sentido opuesto al primer sentido.

En otro aspecto ejemplar, la presente divulgacion se dirige a un sistema de destornillador electrico que tiene un destornillador de mano y una consola de control. El destornillador de mano comprende un alojamiento que tiene una parte de asidero configurada para ser agarrada por un usuario y un motor dispuesto dentro del alojamiento. Un extremo de trabajo proporciona una salida rotacional y esta acoplado mecanicamente al rotor. La consola de control esta aparte y en comunicacion electrica con el destornillador de mano. Comprende un controlador configurado para conmutar el motor para mantener una posicion relativa deseada del rotor dentro del estator cuando se aplica carga en un primer sentido en el motor, estando configurado tambien el controlador para permitir el desplazamiento en giro libre del rotor dentro del estator cuando se aplica carga en un segundo sentido en el motor.

En un aspecto, el controlador esta configurado para recibir senales indicativas de una posicion del rotor relativa al

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estator y esta configurado para determinar la posicion relativa deseada del rotor basandose en las senales.

En otro aspecto ejemplar, la presente divulgacion se dirige a un procedimiento para hacer funcionar un sistema de destornillador quirurgico. El procedimiento incluye las etapas de estimar una posicion de rotor inicial relativa a un estator y establecer una primera posicion de rotor deseada relativa al estator que es substancialmente equivalente a la posicion de rotor inicial. El procedimiento tambien incluye las etapas de conmutar el motor para mantener substancialmente la primera posicion de rotor deseada relativa al estator y la carga de compensacion en el rotor aplicada en un primer sentido. El desplazamiento de la posicion de rotor real dentro del estator se permite en respuesta a la carga aplicada en el rotor en un segundo sentido. El procedimiento tambien incluye establecer una segunda posicion de rotor deseada relativa al estator que es substancialmente equivalente a la posicion de rotor desplazada.

En un aspecto, el procedimiento incluye determinar un factor de error como una diferencia entre la primera posicion de rotor deseada y la posicion de rotor real y realizar la etapa de conmutar el motor para mantener substancialmente la primera posicion de rotor deseada cuando el factor de error supera un valor de umbral preestablecido. En un aspecto, el procedimiento incluye determinar un factor de error como una diferencia entre la primera posicion de rotor deseada y la posicion de rotor real y realizar la etapa de establecer una segunda posicion de rotor deseada cuando la posicion de rotor deseada es positiva y el factor de error es negativo o cuando la posicion de rotor deseada es negativa y el factor de error es positivo.

Aspectos, formas, realizaciones, objetivos, caracteristicas, beneficios y ventajas adicionales de la presente invencion se haran evidentes a partir de los dibujos detallados y las descripciones proporcionadas en el presente documento.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Aspectos de la presente divulgacion se entienden mejor a partir de las figuras adjuntas, descritas y utilizadas en contexto con la descripcion de esta memoria.

La figura 1 es una ilustracion de un sistema de destornillador electrico a motor ejemplar que incluye un destornillador y una consola de control y esta provisto de un trinquete electrico de acuerdo con una primera realizacion de la presente divulgacion.

La figura 2 es una ilustracion de una vista en seccion transversal sumamente simplificada de un selector de modo en el destornillador ejemplar de la figura 1.

La figura 3 es un diagrama de bloques que muestra componentes funcionales del sistema de destornillador electrico a motor con un trinquete electrico de acuerdo con un aspecto de la presente divulgacion.

La figura 4 es una ilustracion estilizada de una vista en seccion transversal de un motor electrico de acuerdo con un aspecto ejemplar de la presente divulgacion.

La figura 5 es un diagrama de bloques que muestra componentes funcionales del sistema de destornillador electrico a motor con un trinquete electrico de acuerdo con un aspecto de la presente divulgacion.

La figura 6 es un diagrama de flujo que muestra la logica de control de acuerdo con un aspecto ejemplar de la presente divulgacion.

DESCRIPCION DETALLADA

Para la finalidad de promover un entendimiento de los principios de la invencion, ahora se hara referencia a las realizaciones, o ejemplos, ilustradas en los dibujos y se utilizara un lenguaje especifico para describir las mismas. No obstante se entendera que de ese modo no se pretende limitacion del alcance de la invencion. Se contempla que alteraciones y modificaciones adicionales en las realizaciones descritas, y en aplicaciones adicionales de los principios de la invencion tal como se describen en la presente memoria, se le ocurririan normalmente a un experto en la tecnica con la que esta relacionado el alcance de la invencion, como se define mediante las reivindicaciones anexas.

Esta divulgacion describe un sistema de destornillador electrico accionado por motor con un trinquete electrico. El sistema controla el motor para crear un trinquete al impedir o limitar la rotacion relativa del destornillador electrico y un tornillo atornillado en un sentido, mientras permite la rotacion en giro libre en el otro. Particularmente, para atornillar un tornillo utilizando el trinquete electrico, el sistema de destornillador detecta el desplazamiento de componentes de motor y responde alimentando el motor para limitar o impedir un desplazamiento adicional. En consecuencia, cuando empieza a tener lugar el desplazamiento de motor como resultado del par aplicado manualmente, el motor es alimentado para compensar el desplazamiento limitando eficazmente el destornillador para que no deslice con respecto al tornillo en un sentido. Sin embargo, el motor permite eficazmente la rotacion en giro libre en el segundo sentido. En consecuencia, al hacer rotar el destornillador completo con respecto al tornillo

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atornillado, un usuario puede hacer trinquete y atornillar el tornillo hasta una profundidad y orientacion deseadas. Tal como se emplea en esta memoria, la rotacion en giro libre esta pensada para cubrir al menos dos escenarios: En primer lugar, la rotacion en giro libre tiene lugar cuando el motor no es alimentado para impedir el desplazamiento de motor en el segundo sentido opuesto; y en segundo lugar, la rotacion en giro libre tiene lugar cuando el motor es alimentado para compensar el arrastre de tren destornillador cuando se hace rotar el motor en el segundo sentido opuesto.

El sistema de destornillador electrico es particularmente muy adecuado para aplicaciones quirurgicas en las que el destornillador se utiliza para atornillar tornillos oseos, tales como tornillos pediculares. El usuario puede utilizar el destornillador electrico a motor para atornillar el tornillo cerca de su profundidad deseada. Sin embargo, con el fin de reducir el riesgo de sobreapriete o sobreatornillado, el usuario puede parar el atornillado convencional con el motor y utilizar el destornillador como trinquete para completar la implantacion de tornillo al par o profundidad deseados. Ademas, como algunos tornillos oseos, tales como algunos tornillos pediculares, se deben orientar para recibir varillas espinales, cables u otro instrumental medico, el trinquete electrico permite el ajuste fino necesario para alinear el tornillo como se desee sin desconectar el destornillador del tornillo y sin que sea necesario un trinquete aparte o destornillador manual. Esto aumenta el rendimiento quirurgico y la conveniencia para el cirujano. Ademas, como el trinquete electrico carece de componentes de trinquete mecanico, grandes y pesados, el destornillador con trinquete resultante no aumenta la fatiga del operario ni las potenciales lesiones de operario. Esto puede llevar a una punteria mas eficaz del tornillo y mejor resultado para el paciente.

Ademas, como el sistema de trinquete electrico funciona utilizando control de motor en lugar de componentes mecanicos voluminosos, los sistemas divulgados en el presente documento logran funcionamiento de trinquete sin anadir masa y peso adicionales. Al evitar la masa adicional, los destornilladores divulgados en el presente documento no tienen la inercia extra que proviene de los sistemas mecanicos, haciendo mas eficiente el destornillador. Esto permite un tamano compacto y minimiza el peso de destornillador, que son beneficios importantes para un cirujano operando.

La figura 1 ilustra un sistema de destornillador electrico 100 segun una realizacion ejemplar de la presente invencion. El sistema incluye un destornillador electrico a motor 102 y una consola de control 104. El destornillador 102 funciona a velocidades rotacionales variables para atornillar machos de aterrajar, taladros y equipos fisicos quirurgicos, tales como, por ejemplo, tornillos oseos durante un procedimiento quirurgico. Ademas de realizar estas funciones utilizando potencia de motor, el destornillador 102 esta configurado con un trinquete electrico. El destornillador 102 incluye un alojamiento exterior 105 con forma de asidero 106 y un canon 108. Aqui, el asidero 106 se extiende desde el canon 108 a modo de empunadura de pistola por conveniencia y confort del usuario. El asidero 106 incluye una via de acceso electrica 110 y un dispositivo de entrada, mostrado aqui como un gatillo 112. En algunos ejemplos, el gatillo 112 incluye un iman permanente y un sensor de efecto Hall. En uso, el campo magnetico detectado por el sensor de efecto Hall cambia sobre la base de la posicion relativa del gatillo 112 y la proximidad del iman dentro del gatillo con el sensor de efecto Hall.

El canon 108 incluye un portaherramientas 116 y un selector de modo 118. Tambien se pueden incluir otros dispositivos de entrada, tal como un limite o palanca de control de par, elementos de alineacion, y otras caracteristicas. El portaherramientas 116 esta dispuesto en el extremo de trabajo del destornillador 102 y recibe una herramienta, tal como un macho de aterrajar, broca, destornillador, llave de vaso u otra herramienta. El selector de modo 118 esta dispuesto para controlar el sentido de atornillado del destornillador 102. En algunos ejemplos, los modos disponibles incluyen un modo de avance, un modo de retroceso, un modo de oscilacion, un modo de trabado o sin rotacion, entre otros modos. Al cambiar el selector de modo 118, un usuario puede controlar el sentido de atornillado rotacional del portaherramientas 116. En el ejemplo mostrado, el selector de modo 118 es un collarin dispuesto alrededor de una parte del canon 108. En otras realizaciones, el selector de modo 118 es un boton, una palanca articulada, un interruptor basculante u otro dispositivo de entrada.

El destornillador 102 contiene un motor para atornillar las herramientas en el extremo trabajado. En algunos ejemplos, el motor es un motor de CC sin escobillas configurado para ser alimentado desde la consola de control 102. En estos ejemplos, la via de acceso electrica 110 conecta el destornillador 102 con la consola de control 104 a traves del cable 114. En otros ejemplos, el destornillador y la consola se comunican inalambricamente. En un ejemplo, el asidero 106 del destornillador 102 contiene un motor dispuesto de modo que el arbol de motor se extienda hacia arriba desde el asidero 106 adentro del canon 108. Un mecanismo de engranajes conecta el arbol de motor a un arbol destornillador que se extiende de manera substancialmente horizontal conectado al portaherramientas 116 y que se utiliza para atornillar una herramienta taladradora o extremo mecanizado recibido por el destornillador 102.

Un ejemplo del selector de modo 118 se muestra con mayor detalle en la figura 2. Aqui, el selector de modo 118 incluye un collarin 120 que incluye pestanas salientes radialmente 122 que permiten a un usuario rotar facilmente el selector de modo alrededor de un eje central para cambiar los modos de atornillado. Un anillo de iman 124 esta fijado a, y rota con, el collarin 120. El anillo de iman 124 y el collarin 120 estan dispuestos en una parte del cuerpo 126 del canon de destornillador 108, con una capa aislante 128 y un sensor de efecto Hall 130 dispuesto en el mismo. El anillo de iman 124 incluye una pluralidad de imanes 132. La rotacion del selector de modo 118 desplaza

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los imanes 132 con respecto al sensor de efecto Hall 130. El sensor de efecto Hall 130 genera una senal utilizada para identificar la posicion del selector de modo 118, y asimismo para identificar el modo seleccionado. En la realizacion mostrada, el selector de modo 118 puede comunicar una senal que representa el modo o la posicion del collarin a la consola de control 104. Otros ejemplos de selectores de modo incluyen un solo iman 132 y multiples sensores de efecto Hall 130. Se contemplan otros tipos de sensores para ser utilizados en lugar de los sensores de efecto Hall incluyendo, por ejemplo, sensores de laminas y otros.

El selector de modo permite a un usuario seleccionar el modo de funcionamiento del destornillador 102. En el ejemplo mostrado, los modos disponibles incluyen un modo de avance, un modo de retroceso, un modo de oscilacion y un modo trabado o sin rotacion, entre otros modos. Algunos disenos proporcionan entradas de usuario auxiliares no relacionadas con el control de arbol. La ubicacion de los imanes relativa a los sensores de efecto Hall proporciona una indicacion del modo seleccionado. Esto se comunica de nuevo a la consola 104 para el procesamiento y la implementacion funcional.

Volviendo a la figura 1, la consola de control 104 puede incluir controles y configuraciones para hacer funcionar el destornillador 102. En un ejemplo, la consola de control 104 esta configurada para recibir senales del destornillador 102 y controlar la salida del destornillador 102 basandose en esas senales recibidas, combinadas con la configuracion de usuario recibida directamente en la consola de control. Algunos ejemplos de esto pueden resultar evidentes a partir de la siguiente descripcion. Vale la pena observar que algunos sistemas no incluyen una consola de control aparte, y en dichas realizaciones todas las determinaciones y calculos se pueden realizar en otro lugar, tal como, por ejemplo, a bordo del propio destornillador 102.

La figura 3 muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de un sistema 100 de acuerdo con un aspecto ejemplar de la presente divulgacion. Como se puede ver, el sistema incluye el destornillador 102 y la consola de control 104. En este ejemplo, el destornillador 102 incluye el gatillo 112, el selector de modo 118, un puente en H 148 y un motor 150.

El puente en H 148 dirige la energia desde la consola de control 104 al motor 150. Dependiendo del modo de funcionamiento determinado por el selector de modo 118, el puente en H dirige la energia en una direccion u otra. Por ejemplo, si el selector de modo 118 se cambia de modo de avance a modo de retroceso, el puente en H redirige la energia a traves del motor y cambia su sentido de funcionamiento.

En este ejemplo, el motor 150 es un motor de CC sin escobillas que tiene tres devanados representados por las tres entradas desde el puente en H 148. La figura 4 muestra un ejemplo estilizado de un motor de CC sin escobillas de acuerdo con un aspecto de la presente divulgacion. El motor 150 en la figura 4 es un motor sincronico e incluye un estator 160, un rotor 162 e imanes permanentes 164 dispuestos en, y rotatorios con, el rotor 162. En este ejemplo, el motor es un motor de 3 fases, aunque en otras realizaciones se pueden utilizar motores de 2 fases y monofasicos. El estator 160 incluye devanados 166. En este ejemplo, los imanes 164 incluyen dos pares de polos con polos alternos norte y sur. Asi, el ejemplo mostrado es un motor de cuatro polos. Sin embargo, en otro ejemplo, unicamente se utiliza un motor de un solo par de polos, o un motor de dos polos. Otras realizaciones incluyen substancialmente mas pares de polos. Algunos ejemplos tienen hasta ocho pares de polos o mas, cuantos mas pares de polos haya presentes mas exacto se puede determinar el control. Como en los sistemas de motores convencionales, el rotor 162 rota con respecto al estator 160. El estator esta fijo con respecto al alojamiento de destornillador 105. En consecuencia, cuando un usuario gira fisicamente el destornillador para efectuar un atornillado manual de un tornillo, el estator 160 permanece fijo con respecto al alojamiento de destornillador 105. En algunos ejemplos, el motor tiene un alojamiento de motor alrededor del estator 160 fijado en el sitio con respecto al alojamiento de destornillador 105.

Volviendo a la figura 3, la consola de control 104 incluye un sistema de procesamiento y una memoria programados de manera que la consola de control 104 este configurada para recibir diversas entradas de configuracion de un usuario (p. ej., velocidad maxima y par maximo) y para controlar el motor del destornillador 102 basandose en las entradas de configuracion del usuario y en la opresion del gatillo 112 en el destornillador 102. En ese sentido, la consola de control 104 del sistema 100 proporciona control de posicion y control de par para el motor del destornillador 102.

En este ejemplo, la consola de control 104 incluye un convertidor analogico a digital (CAD) 152 y un controlador 154 que comprende un procesador 156 que pone en marcha un modulo de estimacion de posicion 158. El sistema 100 tambien incluye una memoria que contiene programas ejecutables que influyen en la manera con la que funciona el sistema 100, una interfaz de usuario, modulos de comunicacion y otros equipos estandar. En algunos ejemplos que utilizan la consola de control 104, un usuario puede establecer la velocidad maxima, la aceleracion, las sacudidas y el modo (avance, retroceso u oscilacion) para el sistema. Ademas, el procesador 156 recibe una senal indicativa de la cantidad de opresion del gatillo 112. La senal enviada al procesador 156 puede ser indicativa de la cantidad de opresion de gatillo sobre la base del campo magnetico percibido por el sensor de efecto Hall, como se ha indicado anteriormente. Ademas, como se ha indicado anteriormente, toda la comunicacion de senales entre el destornillador y la consola puede ser por el cable 114. Como alternativa, la comunicacion puede ser por Bluetooth, wifi, RF convencional, infrarrojos u otro procedimiento de comunicacion inalambrica.

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En el ejemplo mostrado, el procesador 156 es un procesador de senales digitales que recibe las diversas entradas de configuracion del usuario. Basandose en la configuracion, y en los programas ejecutables prealmacenados particulares, el procesador controla el puente en H y envia senales al puente en H, que son comunicadas al motor 150. Por ejemplo, utilizando las entradas recibidas con respecto a la velocidad maxima, aceleracion, sacudidas, modo y posicion de gatillo, el controlador 154 acciona la posicion del rotor del destornillador 102. El controlador 154 produce una senal de control modulada en anchura de pulso que tiene un ciclo de trabajo de acuerdo con una curva de control deseada para controlar la posicion del rotor del motor.

En este ejemplo, la consola de control 104 utiliza la fuerza electromotriz (FEM) hacia atras del motor 150 para vigilar la posicion de rotor del motor 150 para asegurar que el rotor del motor esta logrando las posiciones deseadas definidas por la curva de control. Esto se consigue detectando el nivel de FEM de cada devanado en su giro en el controlador 154. Las senales de FEM son enviadas desde el motor al CAD, que convierte las senales de FEM en senales digitales, que entonces se comunican al controlador 154. Durante el funcionamiento estandar, si el rotor no esta logrando las posiciones deseadas (p. ej., el rotor ha rotado demasiado o no lo suficiente) segun lo detectado por la FEM, entonces el controlador 154 ajusta el ciclo de trabajo basandose en una senal de error representativa de la diferencia entre la posicion real del rotor y la posicion deseada del rotor. De esta manera, el sistema 100 vigila la posicion del rotor para asegurar que el rotor esta logrando las posiciones deseadas durante el uso del destornillador 102.

En el destornillador 102, el estator 160 (figura 4) esta fijo en el sitio con respecto al alojamiento de destornillador 105 (figura 1). El rotor de motor 162 esta acoplado mecanicamente, al menos rotatoriamente, al arbol destornillador y al portaherramientas 116 ya sea directamente o a traves de un sistema de engranajes, por ejemplo. Por lo tanto, el movimiento del rotor 162 relativo al estator 160 es indicativo del movimiento del portaherramientas 116 (y una herramienta en la portaherramientas) relativo al alojamiento de destornillador 105. En consecuencia, cuando el portaherramientas 116 y el arbol destornillador estan acoplados con una herramienta, que se puede acoplar a un tornillo, el sistema 100 puede detectar el movimiento relativo entre el tornillo y el destornillador 102. En este ejemplo, el controlador 154 del sistema 100 esta configurado para hacer funcionar el trinquete electrico mediante la recepcion de datos, tales como la FEM indicativa de la posicion de rotor relativa al estator y aplicar energia al motor a un nivel suficiente para reducir o impedir un movimiento relativo detectado adicional entre el rotor y el estator.

La figura 5 muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de un sistema 100a de acuerdo con otro aspecto ejemplar de la presente divulgacion. Como se puede ver, el sistema 100a incluye el destornillador 102 y la consola de control 104. En este ejemplo, el destornillador 102 incluye el gatillo 112, el selector de modo 118, el puente en H 148 y el motor 150. Sin embargo, esta realizacion tambien incluye un elemento sensible a la posicion 170. El elemento sensible a la posicion 170 puede ser cualquier dispositivo configurado para identificar directamente la posicion del rotor en el motor 150. En un ejemplo, el elemento sensible a la posicion 170 es una pluralidad de sensores de efecto Hall. En este ejemplo, los sensores de efecto Hall estan dispuestos en el estator del motor y estan configurados para detectar el paso de los polos magneticos del rotor y emitir una senal de tension que se pasa a la consola de control 104. Un ejemplo utiliza tres sensores de efecto Hall. Sin embargo, se contempla mayor y menor numero de sensores de efecto Hall.

En la figura 5, la consola de control 104 incluye el CAD 152 y el controlador 154. Sin embargo, aqui, el controlador 154 puede recibir datos que indican directamente la posicion del rotor, y por lo tanto, no es necesario que el controlador incluya un modulo de estimacion de posicion 158. Como se ha descrito anteriormente con referencia a la figura 3, el CAD 152 convierte la senal de tension del elemento sensible a la posicion 170 en una senal digital y la pasa al controlador 154. En este ejemplo, en lugar de determinar la posicion segun necesite el sistema 100 en la figura 3, el controlador 154 detecta directamente la posicion del rotor relativa al estator. El controlador 154 puede hacer funcionar luego el motor 150 basandose en la posicion del rotor para impedir o limitar la rotacion en giro libre en un sentido mientras se permite la rotacion en giro libre en el otro sentido, logrando de ese modo el efecto de trinquete. Aunque se describe como sensores de efecto Hall, el elemento sensible a la posicion 170 tambien puede ser un codificador rotario u otro sistema de medicion de posicion directa que medira la posicion del rotor 162 relativa al estator 160.

Esto se explica aun mas con referencia a la figura 6, que muestra un diagrama de flujo logico realizado por el controlador 154 para lograr la funcionalidad de trinquete electrico del sistema de destornillador electrico 100. En un ejemplo el diagrama de flujo logico es un programa ejecutable de un procedimiento almacenado en memoria y ejecutable por el procesador 156. El procedimiento, con el numero de referencia 200, empieza en una etapa 202 en la que el procesador 156 estima la posicion actual del rotor relativa al estator. Esto se puede conseguir con varios procedimientos, incluyendo los procedimientos descritos anteriormente en los que el controlador 154 vigila la FEM del motor 150, y basandose en la FEM determina la posicion del rotor o en el que el controlador 154 recibe senales de codificadores o sensores de efecto Hall asociados con el motor que indican la posicion del rotor relativa al estator.

En la etapa 204, el controlador determina si el modo de trinquete esta encendido o activo. En un ejemplo, esto se consigue detectando la posicion del selector de modo 118. Si el selector de modo 118 esta en una posicion en la que el modo de trinquete esta activo, entonces se envia una senal desde el destornillador 102 a la consola de control 104 para el procesamiento por parte del controlador 154. La senal permite al controlador manejar el sistema

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100 en un modo de trinquete. En algunos ejemplos, la senal es la ausencia de senales alternativas. En el selector de modo 118 descrito anteriormente, el modo de trinquete esta activo en un sentido de avance en cualquier momento que el selector de modo 118 este en un modo de avance y el gatillo no este oprimido. El modo de trinquete esta activo en un sentido de retroceso en cualquier momento que el selector de modo 118 este en un modo de retroceso y el gatillo no este oprimido. En otros ejemplos, el selector de modo incluye un modo de trinquete independiente de los modos de avance y de retroceso. En consecuencia, un usuario puede activar o encender el modo de trinquete moviendo el selector de modo a un modo de trinquete. Los selectores de modo pueden incluir botones o interruptores independientes del selector de modo descrito anteriormente, y se pueden disponer en la consola 104 o en el destornillador 102. Si, en la etapa 204, el modo de trinquete no esta activo, entonces el sistema repite un bucle, continuando para estimar la posicion actual del rotor relativa a la posicion actual. En este estado, el destornillador todavia puede funcionar en las funciones normales, permitiendo avance, retroceso u oscilacion, entre otros escenarios de control.

En la etapa 204, el modo de trinquete esta activo, entonces el controlador 154 determina si el trinquete estaba previamente activo o si esta es la primera vez a traves del bucle en una etapa 206. Si esta es la primera vez en el bucle en la etapa 206, entonces el bucle establece una posicion deseada del rotor relativa al estator. Aqui, establece la posicion deseada igual a la posicion actual en una etapa 208. La etapa de establecer la posicion deseada igual a la posicion actual en la etapa 208 utiliza la posicion actual que fue estimada en la etapa 202. Con la posicion deseada establecida en la etapa 208, el proceso vuelve a la etapa 202 y estima otra vez la posicion actual del rotor relativa al estator. Este valor de posicion actual estimada es almacenado para uso posterior.

Si el modo de trinquete estaba previamente activo en la etapa 206, entonces el controlador 154 determina si el trinquete esta establecido para rotacion de avance (sentido horario) o de retroceso (sentido antihorario) en la etapa 210. En algunas realizaciones, el sentido de rotacion esta asociado enteramente con la configuracion del selector de modo. Por ejemplo, si el selector de modo esta establecido en un modo de avance, entonces el sentido se puede establecer como de avance. Si el selector de modo esta establecido en un modo de retroceso, entonces el selector de sentido no se puede establecer como de avance, pero en cambio se establece de retroceso. En algunos ejemplos, como se ha indicado anteriormente, el sistema 100 se puede configurar para trinquete unicamente en un solo sentido. En consecuencia, el selector de sentido en la etapa 210 tambien puede estar en un estado para determinar si el trinquete esta activo y por lo tanto, en algunos ejemplos, puede ser una parte de la etapa 204.

En este ejemplo, en el que el trinquete se puede seleccionar para ser de avance o de retroceso, el procedimiento continua desde la etapa 210 dependiendo del sentido seleccionado. Si el sentido es de avance en la etapa 210, entonces el procedimiento determina la diferencia entre la posicion deseada y la posicion actual tomada por ultimo en la etapa 202. Esta diferencia se denomina en el presente documento como valor de error. El valor de error se compara entonces con un valor de umbral preestablecido x para determinar si se usa el motor para contrarrestar la carga aplicada y si se usa el sistema como un trinquete. El valor de umbral x es una variable que permite cierto movimiento desde la posicion deseada antes de que el motor sea activado. En algunos ejemplos sin embargo, el valor x es cero o substancialmente cero.

En la etapa 212, si el valor de error entre las posiciones actual y deseada es mayor que el valor preestablecido x, entonces el controlador 154 conmuta el motor para lograr la posicion deseada en una etapa 214. En consecuencia, a medida que el alojamiento de destornillador empieza a desplazarse con respecto al portaherramientas y a atornillar la herramienta en el destornillador 102, el valor de error entre la posicion actual y la posicion deseada aumenta hasta que supera el valor preestablecido x. Una vez que el valor de error es superior a x, el controlador 154 controla el motor con suficiente potencia como para compensar eficazmente el par que se esta aplicando para mantener el rotor substancialmente en la posicion deseada relativa al estator. Esto no necesariamente requiere llevar el error a cero, sino que puede incluir meramente limitar o controlar incrementos adicionales en el valor de error. Asi, a medida que el usuario rota el destornillador 102 en avance sin oprimir el gatillo 122, el motor mantiene substancialmente la posicion de rotor relativa al estator, atornillando de ese modo manualmente el equipo fisico, tal como un tornillo oseo. Ademas, dado que el valor de umbral de x puede ser en microgrados, el desplazamiento relativo puede ser imperceptible para el usuario. En un ejemplo, el valor de x asciende a menos de un grado del movimiento relativo.

Si en la etapa 212, el valor de error entre las posiciones actual y deseada es inferior al valor de x, entonces el procesador 154 determina en una etapa 216 si el valor de error es inferior a cero. Un valor inferior a cero en la etapa 216 indica que el rotor 162 esta siendo girado en retroceso con respecto al estator 160. Coherente con el funcionamiento de trinquete mecanico convencional, la rotacion en giro libre en un sentido esta permitida mientras la rotacion en el otro sentido no lo esta. En consecuencia, en esta realizacion, el motor no es controlado para limitar o impedir la rotacion en sentido de retroceso en la etapa 216. En consecuencia, si el valor de error entre las posiciones actual y deseada es inferior a cero, entonces el controlador 254 restablece la posicion deseada a la posicion actual detectada en la etapa 218. Esto proporciona un nuevo punto inicial (posicion deseada).

Si en la etapa 216, el valor de error entre la posicion actual y la deseada no es inferior a cero, pero tampoco era mayor que x en la etapa 212, entonces el controlador vuelve a la etapa 202 y empieza de nuevo el proceso.

Volviendo ahora a la etapa 210, si la configuracion de trinquete no se establecio para trinquete en avance, entonces

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en un ejemplo el controlador 154 determina el valor de error entre la posicion actual y la posicion deseada y lo compara con un valor negativo de x (-x) en la etapa 220. El funcionamiento es entonces de una manera similar a la descrita anteriormente con referencia a las etapas 212, 214, 216 y 218 pero utilizando el sentido opuesto, teniendo como resultado una x negativa. Esto es, si el valor de error es inferior a x negativa, entonces el controlador 154 controla el motor para mantener la posicion actual en la posicion deseada en la etapa 214. Como tal, el sistema limita o impide eficazmente el movimiento relativo del destornillador 102 y el portaherramientas o un destornillador en el portaherramientas. Si el valor de error entre las posiciones actual y deseada no es inferior a x negativa, entonces el controlador 154 determina si el valor de error es mayor que cero en una etapa 222. Si el valor de error es mayor que cero, entonces en la etapa 218, la posicion deseada se establece igual a la posicion actual. Si no es mayor que cero, entonces el procesador vuelve a la etapa 202.

El procedimiento 200 descrito en la figura 4 es para un sistema que permite trinquete en los dos sentidos de avance y de retroceso, dependiendo de la configuracion. Algunas realizaciones permite el trinquete unicamente en un sentido, tal como el sentido de avance. En un sistema de este tipo, las etapas 220 y 222 pueden no estar presentes. Como el motor es alimentado para impedir o limitar el movimiento relativo entre el portaherramientas y el destornillador 102, un usuario puede atornillar el instrumento o la herramienta, ya sea un tornillo, un macho de aterrajar, una broca u otro instrumento o herramienta, haciendo rotar el destornillador 102 en sentido de avance sin oprimir el gatillo.

En un ejemplo, el sistema 100 esta configurado de modo que cuando el destornillador es rotado manualmente en el sentido de rotacion en giro libre, el destornillador 102 o consola de control 104 emite un sonido de clic. Por ejemplo, el sonido de clic puede ser emitido cuando el sistema esta en un modo de trinquete y el portaherramientas se desplaza con respecto al cuerpo de destornillador un intervalo de rotacion preestablecido, medido por el desplazamiento del rotor relativo al estator. En una realizacion, el controlador 154 esta configurado para generar una senal que da como resultado un ruido de clic una vez cada diez grados de rotacion en giro libre. El altavoz que emite el ruido de clic se puede disponer en el destornillador 102 o en la consola de control 104. En consecuencia, los usuarios pueden oir un clic generado electronicamente de la misma manera que los usuarios pueden oir un clic generado mecanicamente en un sistema mecanico convencional, tal como pinones dentados con sistemas de garra. En algunos ejemplos, en lugar de un sonido de clic audible, la modulacion de anchura de pulso de la tension del motor proporciona retroinformacion audible al usuario. Por ejemplo, a medida que aumenta el par de arbol aplicado, un tono audible generado por el motor puede proporcionar retroinformacion al usuario. En algunos ejemplos, a medida que aumenta el par, el volumen del tono audible aumenta, o como alternativa a medida que aumenta el par, aumenta la altura tonal (basada en frecuencias).

Aunque se muestra y se describe como que tiene tanto destornillador como una consola de control, algunas realizaciones de la presente divulgacion incluyen un destornillador que contiene la capacidad de procesamiento que se divulga en el presente documento como que esta en la consola de control 104. En consecuencia, en algunos ejemplos, el controlador 154 esta dispuesto en el propio destornillador. Ademas, aunque la realizacion mostrada divulga energia de funcionamiento consumida de la consola de control 104, algunas realizaciones de destornillador incluyen su propia fuente de energia aparte, tales como fuente de energia de bateria, utilizando ya sea una bateria recargable o baterias primarias. Algunas realizaciones incluyen un cable electrico que se puede conectar en una toma electrica convencional.

En algunos ejemplos el destornillador es una herramienta quirurgica configurada para ser utilizada en un entorno quirurgico. En consecuencia, el destornillador se puede configurar de una manera para ser esterilizado mediante un autoclave. Ademas, el destornillador se puede configurar para ser enteramente autosuficiente, sin respiraderos o alivios de material ni filamentos del motor que podrian introducir contaminacion en un campo esteril.

Como se ha descrito anteriormente, la capacidad de giro libre del trinquete electrico incluye no alimentar el motor para impedir el desplazamiento de motor en el segundo sentido de giro libre opuesto al primer sentido de atornillado. En consecuencia, un usuario puede rotar libremente el destornillador con respecto al tornillo en el segundo sentido opuesto. En algunas realizaciones, la capacidad de giro libre del trinquete electrico tambien proporciona cierto pequeno nivel de potencia de motor para compensar el arrastre de tren destornillador cuando se hace rotar el motor en un segundo sentido de giro libre. En consecuencia, en algunos ejemplos, cuando el arrastre de tren destornillador supera la fuerza de friccion en el equipo fisico quirurgico (tal como un tornillo oseo), el equipo fisico todavia no rota con el destornillador en los dos sentidos primero de atornillado y segundo de giro libre. En cambio, rota con el destornillador en el primer sentido de atornillado, pero el motor funcionara para compensar el arrastre inherente en el destornillador de modo que el destornillador no rote con el destornillador en el segundo sentido de giro libre. Esto proporciona al usuario la percepcion de que la funcion de trinquete electrico esta rotando en giro libre en el segundo sentido de giro libre, aunque las fuerzas de arrastre estan siendo superadas por el motor.

Los dispositivos, sistemas y procedimientos descritos en el presente documento proporcionan un sistema mejorado para atornillar herramientas quirurgicas, tales como anclajes oseos y otras herramientas quirurgicas. Los solicitantes senalan que los procedimientos descritos en el presente documento son meramente ejemplares y que los sistemas y procedimientos divulgados en el presente documento se pueden utilizar para otros numerosos procesos y procedimientos. Aunque se han ilustrado y descrito en detalle varias realizaciones seleccionadas, se entendera que

son ejemplares y que son posibles diversas sustituciones y alteraciones sin apartarse del alcance de la presente invencion, como es definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un sistema de destornillador electrico (100) que comprende:

un alojamiento de destornillador (105) que tiene una parte de asidero (106) configurada para el agarre por parte de un usuario;

un motor dispuesto dentro del alojamiento, comprendiendo el motor un estator y un rotor, estando el rotor dispuesto rotacionalmente dentro del estator;

un extremo de trabajo (116) que proporciona una salida rotacional, estando el extremo de trabajo acoplado mecanicamente al rotor;

una fuente de energia (114) dispuesta para proporcionar energia al motor; caracterizada por que un controlador (104) dispuesto para recibir senales representativas de un estado de motor sobre la base de las senales recibidas, con el fin de controlar el motor de una manera que proporcione una capacidad de trinquete electrico.
2. El sistema de destornillador electrico de la reivindicacion 1, en el que el controlador esta configurado para recibir senales indicativas de una ubicacion del rotor relativa al estator y esta configurado para alimentar el motor para mantener una posicion deseada del rotor relativa al estator en un primer sentido.
3. El sistema de destornillador electrico de la reivindicacion 2, en el que el controlador esta configurado para permitir la rotacion en giro libre del rotor relativa al estator en un segundo sentido opuesto al primer sentido.
4. El sistema de destornillador electrico de la reivindicacion 1, que comprende ademas un destornillador y una consola de control aparte, comprendiendo el destornillador el alojamiento de destornillador, el motor y el extremo de trabajo, y comprendiendo la consola de control el controlador, estando la consola de control en comunicacion electrica con el destornillador para controlar el motor.
5. El sistema de destornillador electrico de la reivindicacion 1, en el que las senales representativas de un estado de motor son senales que indican una posicion del rotor relativa al estator, y en el que el controlador esta configurado para determinar la posicion del rotor basandose en las senales.
6. El sistema de destornillador electrico de la reivindicacion 1, que comprende: un selector de modo; y

un dispositivo de entrada para regular el motor,

y en el que el controlador esta configurado para funcionar en un modo de trinquete cuando el selector de modo esta en un modo de avance y el dispositivo de entrada no esta oprimido.
7. El sistema de destornillador electrico de la reivindicacion 6, en el que el controlador esta configurado para recibir senales indicativas de una posicion del rotor relativa al estator, y en el que el controlador esta configurado para determinar la posicion relativa deseada del rotor basandose en las senales.
8. El sistema de destornillador electrico de la reivindicacion 6, en el que el alojamiento de destornillador esta configurado para emitir senales representativas de una posicion de rotor real relativa al estator, y en el que la consola de control esta configurada para establecer una posicion de rotor deseada, esta configurada para recibir las senales representativas de la posicion de rotor real desde el alojamiento de destornillador, y esta configurada para determinar cuando la posicion de rotor real se desvia de la posicion de rotor deseada, en el que el controlador esta configurado para conmutar el motor cuando la posicion de rotor real se desvia de la posicion de rotor deseada sobre una cantidad de umbral preestablecida.
9. El sistema de destornillador electrico de la reivindicacion 5 o la reivindicacion 7, en el que las senales son unas de senales indicativas de la fuerza electromagnetica del motor y senales de los elementos sensores de rotor.
10. El sistema de destornillador electrico de la reivindicacion 1, en el que el controlador esta configurado y dispuesto para controlar el motor de una manera que proporciona una capacidad de trinquete electrico mediante:

establecer una posicion deseada del rotor relativa al estator; y

conmutar el motor cuando se aplica par en un primer sentido contra el rotor para mantener substancialmente el rotor en la posicion deseada.
11. El sistema de destornillador electrico de la reivindicacion 10, en el que el controlador esta configurado y dispuesto ademas para controlar el motor de una manera que proporciona una capacidad de trinquete electrico mediante:

permitir el desplazamiento en giro libre del rotor cuando se aplica el par en un segundo sentido contra el rotor.
12. El sistema de destornillador electrico de la reivindicacion 1, en el que el alojamiento de destornillador y el motor

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se pueden tratar en autoclave para esterilizar el alojamiento antes de un procedimiento quirurgico.
13. Un procedimiento para hacer funcionar un sistema de destornillador electrico segun la reivindicacion 1 que comprende:

estimar una posicion de rotor inicial relativa a un estator;

establecer una primera posicion de rotor deseada relativa al estator que es substancialmente equivalente a la posicion de rotor inicial;

conmutar el motor para mantener substancialmente la primera posicion de rotor deseada relativa al estator y la carga de compensacion en el rotor aplicada en un primer sentido;

permitir el desplazamiento de la posicion de rotor real dentro del estator en respuesta a la carga aplicada en el rotor en un segundo sentido; y

establecer una segunda posicion de rotor deseada relativa al estator que es substancialmente equivalente a la posicion de rotor desplazada.
14. El procedimiento de la reivindicacion 13, que comprende:

determinar un factor de error como una diferencia entre la primera posicion de rotor deseada y la posicion de rotor real; y

realizar la etapa de conmutar el motor para mantener substancialmente la primera posicion de rotor deseada cuando el factor de error supera un valor de umbral preestablecido.
15. El procedimiento de la reivindicacion 13, que comprende:

determinar un factor de error como una diferencia entre la primera posicion de rotor deseada y la posicion de rotor real; y

realizar la etapa de establecer una segunda posicion de rotor deseada cuando la posicion de rotor deseada es positiva y el factor de error es negativo o cuando la posicion de rotor deseada es negativa y el factor de error es positivo.
16. El procedimiento de la reivindicacion 13, que comprende ademas:

determinar si la capacidad de trinquete electrico esta activa;

determinar si un selector de modo esta en modo de avance o de retroceso; y

generar una senal para emitir un ruido de clic audible a medida que la posicion de rotor real gira libre desde la posicion de rotor deseada.