ES2830324T3 - Herramienta manual quirúrgica motorizada a batería tolerante a autoclave - Google Patents

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Richard E Kienman
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Abstract

Una herramienta manual quirúrgica motorizada que tiene una unidad de potencia (100) y una unidad motorizada, comprendiendo la unidad de potencia (100): un recinto exterior (109) que define una cavidad interior; y al menos una celda de batería completamente dispuesta dentro de dicha cavidad interior, caracterizada por que la unidad de potencia (100) comprende además una placa de circuito impreso (103) dispuesta dentro de dicha cavidad interior y envuelta al menos parcialmente alrededor de dicha al menos una celda de batería como una capa de aislamiento térmico, en donde la placa de circuito impreso (103) es al menos parcialmente rígida, en donde la placa de circuito impreso (103) incluye paneles rígidos y porciones flexibles, y en donde los paneles rígidos están conectados por las porciones flexibles.

Description

DESCRIPCIÓN
Herramienta manual quirúrgica motorizada a batería tolerante a autoclave
La solicitud se refiere a herramientas quirúrgicas motorizadas que funcionan con baterías.
Las herramientas quirúrgicas motorizadas que incluyen herramientas operadas por batería son bien conocidas en la técnica. Para desarrollar la potencia del motor necesaria, como para una sierra quirúrgica portátil, las herramientas quirúrgicas motorizadas convencionales generalmente utilizan una pluralidad de baterías conectadas en serie o en paralelo. No obstante, la inclusión de varias baterías aumenta enormemente el peso del dispositivo, lo que dificulta su sujeción y maniobra precisa durante los procedimientos quirúrgicos. En consecuencia, existe una necesidad en la técnica de un dispositivo quirúrgico que tenga una sola batería (o múltiples baterías más pequeñas) que sea relativamente liviano de manera que sea fácil de maniobrar durante los procedimientos quirúrgicos.
Otro problema con los instrumentos quirúrgicos convencionales alimentados por baterías recargables es que los paquetes de baterías deben esterilizarse entre procedimientos médicos a través del proceso de autoclave. Los paquetes de baterías convencionales de múltiples celdas de ion de litio deben tratarse con cierto cuidado para no dañar el paquete de baterías durante la esterilización. En algunos casos, solo se puede utilizar la esterilización a baja temperatura, típicamente por esterilización química, por ejemplo, exponiendo el paquete a un plasma de gas peróxido. En otros casos, los paquetes de baterías de varias celdas se pueden colocar en un autoclave, sin embargo, solo por un período de tiempo muy corto (por ejemplo, menos de cuatro minutos de exposición) y en tiempos y temperaturas de secado limitados. Por el contrario, algunos protocolos de esterilización médica tienen un requisito mínimo de exposición a altas temperaturas de 18 minutos seguido de un ciclo de autoclave de secado con calor de 45 minutos, lo que evita que los paquetes de baterías convencionales cumplan con los protocolos de esterilización necesarios. Además, muchos sistemas de autoclave utilizan una serie de ciclos de temperatura y presión que incluyen varios períodos de alta temperatura y presión de vacío que los paquetes de baterías no fueron diseñados para soportar. En consecuencia, existe una necesidad en la técnica de una unidad de potencia que pueda resistir el proceso de autoclave.
En diseños convencionales de dispositivos quirúrgicos portátiles que utilizan clavijas para proporcionar una conexión eléctrica entre circuitos electrónicos, que deben protegerse y sellarse lejos del entorno extremo del autoclave, las clavijas estaban sobremoldeadas o encapsuladas. No obstante, cada clavija proporciona una ruta potencial para que el vapor de alta presión del autoclave entre en el recinto, por lo tanto, reducir el número de clavijas mejorará la confiabilidad al reducir el número de posibles rutas de fuga, como se describe a continuación en la descripción detallada. En consecuencia, en la técnica existe la necesidad de reducir el número de clavijas que deben sellarse y que proporcionan una ruta potencial para el vapor a alta presión.
Los motores de las herramientas quirúrgicas también deben poder girar de una manera predecible y cuidadosamente controlada en respuesta a los movimientos de una palanca de control de velocidad del motor por parte del cirujano. Además de la complejidad del proceso de arranque, la carga de par de torsión puede variar desde la unión si el borde de corte de la broca de la herramienta está, por ejemplo, contra un hueso, a virtualmente sin carga de par de torsión si la broca o la hoja de sierra están en el aire y aún no se mantienen contra la superficie a cortar. Algunas herramientas quirúrgicas convencionales aplican una secuencia de arranque nominal que funciona bien en promedio. No obstante, tal arranque puede ser brusco y también puede provocar un movimiento de sacudida de la herramienta y/o la broca de la herramienta. En consecuencia, existe una necesidad en la técnica de un método para arrancar suavemente el motor sin un movimiento de sacudida acompañante de la herramienta o broca.
La velocidad máxima de un motor está determinada por la tensión aplicada a través de sus terminales. Si se alimenta con una batería que utiliza tecnología de plomo-ácido o níquel, la disminución de la tensión de la batería se percibe casi directamente desde el punto de carga completa. Una de las ventajas de las baterías con tecnología de litio es que mantienen mucho mejor su tensión, hasta el último porcentaje de carga restante. Una aplicación de accionamiento de motor con control electrónico de velocidad compensará aún más la caída de tensión ajustando la longitud de los pulsos de control del motor. A menudo, el primer indicio que tiene el usuario de que la carga se ha agotado es que el motor se detiene repentinamente. Esto podría ser extremadamente inconveniente si este evento ocurriera en medio de una delicada maniobra durante un procedimiento.
Un indicador de advertencia visual, por ejemplo, indicador de combustible, LED intermitente, es problemático, ya que puede oscurecerse debido a la forma de sujetar la pieza de mano o al cirujano que se concentra por completo en su trabajo. Un sensor de audio es una posibilidad, aunque existen graves limitaciones de espacio, transmisión de sonido a través de una caja de batería, y falta de transductores con características de temperatura adecuadas. Se puede hacer sonar el motor mismo, pero esto solo puede funcionar mientras el motor está parado y, por lo tanto, interrumpiría el procedimiento. Con las características de arranque relativamente malas de un motor sin sensores, también existe el riesgo de que no se pueda reiniciar después. En consecuencia, existe la necesidad de notificar al usuario de una batería baja sin depender de un indicador visual o auditivo. Los documentos US 2007/090788 A1, EP 1 029385 A1, GB 2408 396 A, US 2011/293997 A1, US 2003/149424 A1, JP 2006 116041 A y EP 2510 891 A1 muestran características relacionadas con la materia objeto de la reivindicación 1.
Sumario
La invención se define en la reivindicación independiente. Las reivindicaciones preferidas se describen por las reivindicaciones dependientes. Según un aspecto, una unidad de potencia de una herramienta manual quirúrgica motorizada según la reivindicación 1 comprende: un recinto exterior que define una cavidad interior; una sola celda de batería completamente dispuesta dentro de dicha cavidad interior; y una placa de circuito impreso dispuesta dentro de dicha cavidad interior.
De acuerdo con una realización, la unidad de potencia comprende además al menos una capa de aislamiento envuelta al menos parcialmente alrededor de dicha al menos una batería como una capa de aislamiento térmico. De acuerdo con una realización, la placa de circuito impreso está formada al menos parcialmente a partir de un material de placa de circuito impreso flexible.
De acuerdo con una realización, la celda de batería es una batería de alta temperatura.
De acuerdo con una realización, la unidad de potencia comprende además un conector hermético que se extiende desde el recinto, en donde el recinto y el conector hermético están juntos herméticamente sellados.
De acuerdo con una realización, un mamparo que rodea el conector hermético comprende además una junta tórica configurada como un sello radial y estirada en una trayectoria no circular para sellar una unión entre el mamparo y el recinto.
De acuerdo con una realización, el conector hermético comprende además una pluralidad de clavijas.
De acuerdo con una realización, al menos una de la pluralidad de clavijas es un conector de clavija hiperbólico. De acuerdo con una realización, al menos una de la pluralidad de clavijas está en comunicación con la placa de circuito impreso, en donde la placa de circuito impreso está configurada para multiplexar una primera señal y una segunda señal sobre al menos una clavija de la pluralidad de clavijas.
De acuerdo con una realización, la cavidad interior del recinto es un vacío.
De acuerdo con una realización, la unidad de potencia comprende además una válvula de retención unidireccional en comunicación con la cavidad interior y una superficie exterior del recinto, en donde la válvula de retención unidireccional está configurada para refrescar el vacío del recinto cuando la superficie exterior del recinto está expuesta al vacío.
De acuerdo con una realización, la unidad de potencia comprende además un resorte inclinado dispuesto en un canal para sujetar dicha unidad de potencia a una unidad motorizada manual quirúrgica.
De acuerdo con una realización, la unidad de potencia comprende además un transceptor configurado para comunicarse con un dispositivo informático.
De acuerdo con una realización, la unidad de potencia está configurada para variar la potencia entregada a una unidad motorizada manual quirúrgica que tiene un motor, de manera que la velocidad del motor pueda variar de una manera predeterminada que sea perceptible para un usuario.
Un método para arrancar un motor de corriente continua sin escobillas, comprende las etapas de: proporcionar un motor de corriente continua sin escobillas que tiene un rotor configurado para girar en al menos una dirección y un estator que comprende una pluralidad de fases, en donde, para cualquier posición dada del rotor, al menos dos combinaciones de la pluralidad de fases están posicionadas para, cuando se enciende, inducir la rotación del rotor; aplicar una tensión a al menos una combinación de primera fase de una pluralidad de fases y una combinación de segunda fase de la pluralidad de fases, en donde tanto la combinación de primera fase como la combinación de segunda fase inducen al rotor a girar en la primera dirección cuando se enciende; comparar una primera corriente consumida por la combinación de primera fase y una segunda corriente consumida por la combinación de segunda fase; y aplicar una tensión a al menos una tercera combinación de fase de la pluralidad de fases y la segunda combinación de fase de la pluralidad de fases al determinar que la corriente consumida por la segunda combinación de fase es menor que la corriente consumida por la primera combinación de fase.
La combinación de primera fase y la combinación de segunda fase se pueden seleccionar de la pluralidad de fases de acuerdo con una posición inicial del rotor.
La posición inicial del rotor se puede determinar midiendo la corriente consumida por una pluralidad de combinaciones de fases de la pluralidad de fases, en respuesta a una tensión aplicada a cada una de la pluralidad de combinaciones de fases.
La corriente consumida por la combinación de primera fase y la combinación de segunda fase puede medirse de acuerdo con la caída de tensión a través de una resistencia en derivación.
Una herramienta quirúrgica motorizada puede comprender: una unidad de potencia que comprende una batería y un primer conector y un sensor; una unidad motorizada que tiene un motor; un brazo de palanca montado en dicha unidad motorizada mediante un punto de pivote, en donde un imán, que tiene un campo magnético, está dispuesto sobre el brazo de palanca y colocado de manera que al presionar el brazo de palanca se altere la distancia entre el imán y el sensor, en donde el sensor está configurado para detectar una fuerza del campo magnético, en donde la unidad de potencia está configurada para entregar potencia a la unidad motorizada de acuerdo con la fuerza detectada del campo magnético.
La unidad de potencia puede comprender además un primer conector, y la unidad motorizada comprende además un segundo conector, en donde el segundo conector está configurado para acoplarse con el primer conector de manera que la unidad de potencia se puede desmontar de la unidad motorizada separando el segundo conector del primer conector, en donde el imán está dimensionado y posicionado en la palanca, de manera que la separación del segundo conector del primer conector no altere la fuerza detectada del campo magnético por el sensor, hasta que el segundo conector esté completamente separado del primer conector.
Una unidad de potencia para una herramienta quirúrgica motorizada puede comprender: un recinto exterior que define una cavidad interior; al menos una celda de batería completamente dispuesta dentro de dicha cavidad interior; y una placa de circuito impreso dispuesta dentro de dicha cavidad interior y envuelta al menos parcialmente alrededor de dicha al menos una celda de batería como una capa de aislamiento térmico.
La unidad de potencia de la herramienta manual quirúrgica motorizada puede comprender: un recinto exterior que define una cavidad interior; una sola celda de batería completamente dispuesta dentro de dicha cavidad interior; y una placa de circuito impreso dispuesta dentro de dicha cavidad interior.
La placa de circuito impreso puede comprender además un convertidor elevador configurado para aumentar una tensión suministrada por la única celda de batería.
La única celda de batería puede tener una impedancia interna baja.
La única celda de batería puede estar compuesta por una celda de cerámica de iones de litio.
La tensión se puede incrementar hasta 10 V.
La única batería de celda puede suministrar 22 A de corriente.
La única batería de celda se puede conectar directamente a la placa de circuito impreso, de manera que se mitiguen las ondulaciones en la tensión suministrada por la única batería de celda.
La única batería de celda se puede unir a la placa de circuito impreso mediante un par de lengüetas, en donde las lengüetas están dimensionadas de manera que se mitigan las ondulaciones en una tensión suministrada por la única batería de celda.
Un método para notificar a un usuario de un dispositivo quirúrgico manual, comprende: medir una primera métrica, con un primer valor; comparar el primer valor con un valor predeterminado; cambiar la velocidad de un motor de una primera velocidad a una segunda velocidad, de manera que el cambio sea perceptible para el usuario.
La primera velocidad puede ser menor que la segunda velocidad.
La segunda velocidad puede ser menor que la primera velocidad.
El motor puede cambiar a la segunda velocidad después de un período de tiempo predeterminado.
Breve descripción de los dibujos
Los rasgos distintivos de la solicitud se pueden comprender mejor con referencia a los dibujos que se describen a continuación y las reivindicaciones. Los dibujos mostrados no son necesariamente a escala, en cambio, el énfasis se coloca generalmente en ilustrar los principios descritos en el presente documento. En los dibujos, los mismos números se utilizan para indicar las mismas partes en las distintas vistas.
La figura 1 muestra una vista en sección de un ejemplo de realización de una unidad de potencia de una herramienta manual quirúrgica motorizada, de acuerdo con una realización;
la figura 2 muestra un esquema de un dispositivo, de acuerdo con una realización.
La figura 3 muestra un pulso de tensión y corriente medidos para determinar la posición del rotor estático del motor;
la figura 4 muestra un patrón de conmutación;
la figura 5 muestra un patrón de conmutación;
la figura 6 muestra las tensiones de fase actual y siguiente;
la figura 7 muestra formas de onda 2 ascendentes y descendentes;
la figura 8 muestra una serie de conmutaciones que utilizan un esquema de conmutación más convencional; la figura 9 muestra un dibujo isométrico de una realización ejemplar de una herramienta manual quirúrgica que tiene una unidad de potencia y una unidad motorizada, de acuerdo con una realización;
la figura 10 muestra una vista en sección de la herramienta manual quirúrgica que tiene una unidad de potencia y una unidad motorizada de la figura 9, de acuerdo con una realización;
la figura 11 muestra una vista en sección parcial de un ejemplo de realización de una herramienta quirúrgica motorizada con un interruptor de seguridad, de acuerdo con una realización;
la figura 12 muestra un diagrama de flujo de un método de arranque para un motor eléctrico; y
la figura 13 muestra un diagrama de flujo para comunicar, con el motor, un estado u otro mensaje.
La figura 14 muestra las corrientes comparativas de diferentes fases.
La figura 15 es un esquema de circuito del convertidor elevador, de acuerdo con una realización.
Descripción detallada
Haciendo referencia a las figuras, se muestra en la figura 1 una realización de una unidad de potencia 100 tolerante a autoclave de una herramienta manual quirúrgica motorizada. La unidad de potencia 100 puede comprender una batería 101, una placa de circuito impreso 103, aislamiento 105, y un recinto de unidad de potencia 109. En una realización, el recinto 109 está sellado herméticamente para proteger la batería 101 y la placa de circuito impreso 103 durante el proceso de autoclave. En una realización, la placa de circuito impreso 103 puede incluir (como se muestra en la figura 2) un medio de almacenamiento no transitorio (es decir, memoria) configurado para almacenar una pluralidad de instrucciones de programa, y un procesador configurado para ejecutar las instrucciones de programa almacenadas en la memoria. Así mismo, la placa de circuito impreso 103 puede configurarse para controlar las funciones de gestión de la batería y el control del motor (de un motor adjunto o incluido de otro modo), así como otras operaciones y rasgos distintivos descritos en esta divulgación.
La unidad de potencia 100 puede comprender además un conector 131, incluyendo una pluralidad de clavijas 133, que se extiende fuera del recinto 109 de la unidad y está configurado para, al menos, entregar potencia desde la batería 101 a un motor adjunto (u otro implemento), tal como se describe junto con la figura 9 a continuación. La unidad de potencia 100 puede incluir además una válvula de retención unidireccional 141 para refrescar el vacío durante el proceso de autoclave.
Como se muestra en la figura 1, en una realización, la unidad de potencia 100 puede estar estructurada en una configuración de varios niveles para proporcionar aislamiento térmico a la batería 101 durante el proceso de autoclave. En una realización, la configuración de varios niveles puede incluir una placa de circuito impreso 103, aislamiento 105, y el recinto 109 cada uno dispuesto en al menos una relación de cobertura parcial con la batería 101, tal que la placa de circuito impreso 103, el aislamiento 105 y el recinto 109 sirven para, en parte, aislar térmicamente la batería 101. Asimismo, en una realización, la batería 101 puede estar completamente encerrada por cada capa. En una realización alternativa, la placa de circuito impreso 103 y/o el aislamiento 105 pueden encerrar cada uno parcialmente la batería 101.
En una realización, la placa de circuito impreso 103 puede envolver completamente la batería 101, de manera que la batería 101 esté completamente dispuesta dentro de la placa de circuito impreso 103. Por ejemplo, si la batería 101 es cilíndrica, la placa de circuito impreso 103 puede formarse en un cilindro (una forma similar) con un diámetro mayor que el diámetro de la batería 101, de tal manera que la batería 101 pueda estar completamente dispuesta dentro de la placa de circuito impreso 103. La placa de circuito impreso 103 puede tener cualquier forma que pueda encerrar completamente la batería 101 (por ejemplo, el circuito impreso 103 puede formarse en una caja que tenga una altura y una anchura lo suficientemente grandes para encerrar completamente la batería 101). Además de proporcionar aislamiento térmico a la batería, este enfoque minimiza el volumen requerido de la carcasa de la unidad de potencia, porque la placa de circuito impreso está formada para encajar dentro del recinto.
En una realización alternativa, la placa de circuito impreso se puede formar para cubrir o encerrar parcialmente la batería 101. Por ejemplo, la placa de circuito impreso 103 puede formarse en una caja de tres lados que está dispuesta alrededor de la batería 101, pero que deja al menos una porción abierta en un lado. Un experto apreciará, junto con una revisión de esta divulgación, que esa placa de circuito impreso 103 puede tener cualquier forma que permita que la placa de circuito impreso cubra o encierre al menos parcialmente la batería 101 de manera que la placa de circuito impreso pueda contribuir a aislar la batería 101 durante el proceso de esterilización en autoclave.
La placa de circuito impreso 103 puede formarse a partir de un material de placa de circuito impreso flexible, de manera que la placa de circuito impreso 103 pueda envolverse de manera flexible alrededor de la batería 101. En una realización alternativa, la placa de circuito impreso 103 puede formarse a partir de un material de placa de circuito rígido, que está formado integralmente o construido a partir de una pluralidad de paneles en la forma deseada. Por ejemplo, la placa de circuito impreso 103 puede estar formada por una pluralidad de paneles rectangulares y conectados entre sí para formar un recinto con una sección transversal hexagonal. En otro ejemplo, la placa de circuito impreso 103 puede estar formada por cuatro paneles rectangulares y conectada a una caja. En otra realización, la placa de circuito impreso 103 puede formarse a partir de secciones flexibles y rígidas. De acuerdo con la invención, la placa de circuito impreso 103 incluye paneles rígidos que están conectados por partes flexibles, de manera que los paneles rígidos se puedan colocar y formar en la forma deseada. Por tanto, la placa de circuito impreso 103 puede proporcionar una primera capa de aislamiento para la batería 101.
En una realización, la capa de aislamiento 105 puede estar envuelta al menos parcialmente alrededor de la placa de circuito impreso 103. En una realización, la capa de aislamiento 105 se puede envolver alrededor de la placa de circuito impreso 103 de manera que esté ubicada entre la placa de circuito impreso 103 y la superficie interior del recinto 109. En una realización alternativa, la capa de aislamiento 105 puede insertarse entre la placa de circuito impreso 103 y la batería 101. En otra realización más, la unidad de potencia 100 puede incluir dos capas de aislamiento: una primera capa entre la placa de circuito impreso 103 y la batería 101, y una segunda capa entre la placa de circuito impreso 103 y el recinto 109. En cualquiera de las realizaciones anteriores, sin importar dónde se coloque la capa de aislamiento 105, puede encerrar completamente la batería 101 o solo encerrar parcialmente la batería 101. Por ejemplo, en una realización, la capa de aislamiento 105 está completamente envuelta alrededor de la placa de circuito impreso 103. En otro ejemplo, la capa de aislamiento 105 está envuelta parcialmente alrededor de la placa de circuito impreso 103, de manera que la capa de aislamiento 105 no cubre una parte de la batería 101.
En una realización, la capa de aislamiento 105 puede estar compuesta por cualquier capa de aislamiento térmico adecuada para aislar la batería 101. Por ejemplo, la capa de aislamiento 105 puede estar compuesta de Insulfrax Thermal Insulation® disponible de Unifrax I LLC de Tonawanda N.Y. En una realización alternativa, se puede utilizar un aislamiento de aerogel de sílice. Por ejemplo, se puede utilizar aerogel de carbono, que es un buen aislante radiativo porque el carbono absorbe la radiación infrarroja que transfiere el calor. De manera alternativa, se puede usar aerogel de sílice con carbón agregado, un aislante aún mejor. De manera alternativa, se puede usar aerogel de poliimida, que es un excelente aislante, es plegable en hojas delgadas, se puede mecanizar y es menos frágil que el aerogel de sílice. Un ejemplo de un aerogel de poliimida de este tipo es AeroZero® disponible en Blueshift 6110 Rittiman Road, San Antonio, Texas 78218. En otra realización, se puede usar una capa de mylar metalizado con una hoja de metal u otro material adecuado como barrera reflectante junto con otra capa de aislamiento o sola. En otra realización más, la capa de aislamiento 105 puede estar compuesta de un material de cambio de fase. Un ejemplo de tal material de aislamiento PCM, que se puede moldear o dispensar, es el almacenamiento de calor latente (LHS) disponible en Outlast Technologies, LLC, 831 Pine Ridge Road, Golden, CO. Este tipo de aislamiento proporciona un medio de bajo costo, eficaz, para la gestión térmica pasiva.
El recinto 109 puede estar hecho de cualquier material adecuado para sustancialmente todos los ciclos de autoclave estándar. Normalmente, el propio recinto 109 proporciona otra capa de aislamiento térmico, aunque con menor resistencia térmica que las capas aislantes del interior. El recinto 109 puede estar hecho de cualquier material adecuado, tal como, por ejemplo, poliéter éter cetona (PEEK), polieterimida (PEI o Ultem™) y polifenilsulfona (PPSU o Radel®).
Como se ha descrito anteriormente, el paquete de baterías 100 puede incluir el conector 131, incluidas las clavijas 133. El conector 131 puede estar compuesto de vidrio hermético para sellar las clavijas 133, de manera que la batería y la electrónica interna de la unidad de potencia 100 no estén directamente expuestos al calor extremo y al ambiente de vapor durante el proceso de autoclave. El conector hermético 131, con clavijas eléctricas 133, puede ser cualquier conector eléctrico herméticamente sellado adecuado para el uso de herramientas médicas. Por ejemplo, se pueden utilizar conectores herméticos de vidrio con clavijas Kovar o aleación 52 que tengan un coeficiente de expansión térmica compatible con un cabezal de vidrio. En otra realización más, la unidad de potencia de celda única incluye además una pluralidad de clavijas/enchufes que utilizan un tipo de conector hiperbólico o hiperboloide utilizado para aplicaciones de alta vibración y alta confiabilidad, como las disponibles en IEH Corporation, 14058th Street, Brooklyn, NY. Debería observarse que los términos clavija, enchufe o enchufe de clavija se utilizan indistintamente para definir un lado de una conexión eléctrica que se puede separar del otro lado de una conexión eléctrica. Cuando una clavija y un enchufe están acoplados, existe una conexión eléctrica entre los dos lados. Cuando la pareja está físicamente desconectada, entonces la conexión eléctrica entre los dos lados está abierta. Por tanto, el conector hermético 131 puede contener clavijas 133, o puede contener de manera alternativa un enchufe para recibir clavijas (por ejemplo, de un conector asociado con la unidad motorizada 900). En una realización, el conector hermético 131 puede tener clavijas 133 y enchufes.
En una realización, la unidad de potencia 100 puede comprender además un mamparo 125 (mostrado en la figura 9), rodeando, en una relación herméticamente sellada, el conector hermético 131. La unión entre el recinto 109 y el mamparo 125 puede sellarse herméticamente con una junta tórica. En una realización, la junta tórica puede ser un sello radial que sigue una trayectoria circular. Asimismo, la superficie de sellado del mamparo que contiene el conector (es decir, la superficie que linda con el gabinete) puede ser una junta tórica de sello radial que sigue una trayectoria no circular (es decir, estirada en una trayectoria no circular). En una realización alternativa, el conector hermético puede extenderse directamente y estar sellado herméticamente con, el recinto 109 sin el uso del mamparo 125.
En una realización, el número de clavijas puede reducirse realizando al menos dos funciones independientes con al menos una de las clavijas. Dicho de otra forma, cada clavija, o al menos una de las clavijas, puede configurarse o estructurarse para realizar múltiples funciones, no relacionadas. Esto se puede lograr, en una realización, multiplexando diferentes funciones sobre la misma clavija.
Por ejemplo, en una realización, dos clavijas de las clavijas 133 pueden usarse juntas para comunicarse con el cargador de batería o el dispositivo de prueba de fábrica. Estas clavijas también se pueden usar para detectar cuándo la unidad de potencia está conectada a una unidad motorizada, cargador de batería o dispositivo de prueba de fábrica. Según las señales que se detectan en estas clavijas, la unidad de potencia puede programarse para responder de manera adecuada. En las unidades motorizadas, se puede conectar una resistencia a estas clavijas, cuyo valor se mide, para que la unidad de potencia pueda determinar qué unidad motorizada está conectada y limitar la velocidad máxima u otros parámetros de su funcionamiento. Estas clavijas también se pueden usar para detectar cuándo la unidad de potencia está desconectada, de modo que la unidad de potencia pueda entrar en un estado de suspensión para conservar la potencia de la batería cuando no es necesaria para operar la unidad motorizada.
Con respecto a las clavijas restantes, en una realización, puede haber dos clavijas de fase de motor dedicadas de clavijas 133 en el conector 131 mientras que una tercera clavija de fase de motor puede actuar como una conexión a tierra para la unidad de potencia cuando se conecta a un cargador de batería o dispositivo de prueba de fábrica. Se puede usar otra clavija en el conector para cargar la batería bajo el control del microprocesador en condiciones normales o en casos de una batería extremadamente descargada; esto cargará la batería incluso cuando el microcontrolador no responda. Normalmente, el microcontrolador debería responder para cargar la batería. Esta clavija también se puede utilizar para reiniciar el microcontrolador en circunstancias extremas. Para lograr el reinicio, el cargador de batería puede aplicar aproximadamente 8 V a la clavija de carga, (o cualquier otra tensión que sea más alta que la tensión de carga normal) durante un tiempo predeterminado, por ejemplo, durante ocho segundos. Si el microcontrolador no se comunica con el cargador de batería para reducir la tensión de carga dentro del período de tiempo predeterminado, un circuito interno de la unidad de potencia puede proporcionar un restablecimiento de hardware al microcontrolador. De esta manera, si el microcontrolador no responde a la conexión externa del cargador de batería, se restablecerá automáticamente.
Debido a que se puede lograr un número menor de clavijas multiplexando múltiples funciones en al menos una clavija, y por lo tanto colapsando la funcionalidad de varias clavijas en una sola clavija, cada clavija puede hacerse más grande: proporcionando más área de superficie y puntos de contacto entre cada clavija y enchufe hembra para realizar una conexión eléctrica y mejorar la fiabilidad. Las clavijas más grandes también pueden adaptarse a una mayor tolerancia mecánica entre las clavijas y los enchufes hembra. Las clavijas más grandes también pueden calentarse menos a una corriente de motor determinada que las clavijas más pequeñas, mejorando aún más la fiabilidad. Asimismo, el recuento minimizado de clavijas puede reducir la transferencia de calor del autoclave al recinto debido al menor diámetro total del conector y a la menor área de sección transversal de las clavijas, lo que mantiene la batería y la electrónica a una temperatura máxima más baja durante el ciclo del autoclave y mejora la fiabilidad. La reducción del número de clavijas en el conector también puede mejorar la fiabilidad de la conexión eléctrica entre la unidad de potencia 100 y la unidad motorizada 900. Por último, ya que cada clavija en el conector tiene el potencial de una apertura o falla eléctrica, la reducción del número de clavijas reduce la probabilidad de una falla de contacto.
La unidad de potencia 100 puede comprender una válvula de retención de presión unidireccional 141 de modo que el vacío se pueda crear dentro del recinto 109. La válvula de retención unidireccional 141 puede estar en comunicación con el interior del recinto 109 y un exterior del recinto 109, de tal manera que la válvula de retención 141 puede refrescar el vacío dentro de la unidad de potencia 100 cada vez que la unidad de potencia 100 pasa por un ciclo de autoclave con bombeo de vacío como parte del proceso de esterilización en autoclave. El vacío puede proporcionar otro aspecto más de aislamiento térmico entre la superficie exterior de la funda de la unidad de potencia y la única celda de batería de alta temperatura dispuesta dentro de la unidad de potencia al limitar tanto la conducción térmica como la convección térmica entre la única celda de batería y la superficie exterior de la carcasa de unidad de potencia. Por ejemplo, una válvula de retención en forma de U como la 626-115 disponible en Precision Associates, Inc. de Minneapolis, MN, puede usarse.
Un experto debería apreciar, junto con una revisión de esta divulgación, que la válvula de retención 141 en forma de U mostrada en la figura 1 es solo una realización de una válvula de retención unidireccional de baja presión que se puede usar para hacer un vacío dentro del recinto 109 de la unidad de potencia, por lo demás herméticamente sellada. Otros ejemplos de válvulas de retención que pueden usarse incluyen válvulas de retención de bola, válvulas de retención tipo paraguas y válvulas de retención de pico de pato.
La batería 101, en una realización, puede ser una batería de una sola celda, permitiendo que la unidad de potencia 100 permanezca relativamente ligera y compacta. Asimismo, en una realización, la batería 101 puede ser una batería de alta temperatura (por ejemplo, capaz de soportar más de 100 °C) capaz de soportar las temperaturas del proceso de esterilización en autoclave sin sobrecalentarse. Por ejemplo, la batería 101 puede ser una celda de cerámica de ion de litio, como las desarrolladas para los coches de carreras de Fórmula 1. Estas baterías de una sola celda tienen una densidad de potencia relativamente alta y son capaces de soportar altas temperaturas. Múltiples baterías de densidad de alta potencia más pequeñas, tolerantes a altas temperaturas también se contemplan en el presente documento. Lo que es más, un experto en la materia apreciará que múltiples baterías, más pequeñas, (o incluso varias baterías de tamaño similar, o baterías grandes, aunque esto resultará en un dispositivo más pesado y más difícil de maniobrar) se pueden usar en lugar de una batería de una sola celda, siempre que las baterías se puedan utilizar en dispositivos manuales, médicos, alimentados.
Las baterías de alta temperatura (por ejemplo, celdas de cerámica de ion de litio) como se describe anteriormente, tienen una tolerancia a la temperatura relativamente alta, por ejemplo, para sobrevivir sin daños, altas corrientes de carga y descarga asociadas con los sistemas de recuperación de energía cinética (KERS), tal como se utiliza en automóviles. Sin embargo, si se montan solo en carcasas de batería de grado médico estándar, estas células todavía no podrían sobrevivir a la mayoría de los ciclos de autoclave estándar sin más medios de protección. En una realización, la batería de alta temperatura puede tener una baja impedancia interna, de modo que sea capaz de producir 22 A a 2,5 V mientras está casi descargada. Un experto apreciará, junto con una revisión de esta divulgación, que se puede utilizar cualquier celda individual adecuada de alta densidad de energía, tal como, por ejemplo, una sola celda de ion de litio que incluye una química de alta temperatura como LIPON (oxinitruro de litio, hierro, fósforo) y electrolito sólido de tipos de electrolitos sólidos, como LSPS (sulfuro de litio estaño y fósforo). Asimismo, un experto en la materia apreciará que las temperaturas que puede soportar la batería 101 son dependientes, en parte, del aislamiento proporcionado por la unidad de potencia 100. Dicho de otra forma, la batería 101 solo necesita soportar las temperaturas permitidas por la estructura de aislamiento descrita en esta descripción (u otra estructura de aislamiento no descrita en el presente documento).
No obstante, la mayoría de las baterías de una sola celda solo pueden producir tensiones dentro de los 3,3-3,6 V, lo cual es insuficiente para la mayoría de los motores de herramientas médicas portátiles estándar. En consecuencia, en una realización, se puede agregar un convertidor elevador para aumentar la tensión proporcionada a la unidad motorizada 900. Dicha topología de conversión reforzada es conocida en la técnica y puede optimizarse para el tamaño pequeño, peso y eficiencia energética de la unidad de potencia 100. En una realización, el convertidor puede aumentar la tensión a 10 V o más. En una realización, el convertidor elevador, junto con una batería de una sola celda con una impedancia interna baja, como una batería de cerámica de ion de litio, puede producir 50 W de potencia para impulsar la unidad motorizada 900. En una realización, la combinación puede proporcionar aproximadamente 5 A de corriente.
La figura 15 muestra un ejemplo de tal convertidor. Como se muestra en la figura 15, el transistor de conmutación del lado alto Q5 integra un diodo Schottky (o un diodo que funciona de manera similar a un diodo Schottky) para minimizar la caída de tensión, mientras que el controlador U13 tiene este transistor apagado para mejorar la eficiencia. La eficiencia permite un tiempo de funcionamiento más prolongado y reduce el calor generado dentro de la unidad de potencia para mejorar la fiabilidad. El transistor inferior Q6 no incluye este diodo tipo Schottky para reducir la corriente de reposo de la batería mientras el convertidor está apagado. El divisor de resistencia de retroalimentación R67 y R69 también está desconectado por Q7B mientras el convertidor está apagado para minimizar la corriente de reposo de la batería. La reducción de la corriente de reposo de la batería permite más tiempo entre recargas de la batería mientras no se usa.
En una realización, la batería 101 puede estar conectada directamente a la placa de circuito impreso 103. En una realización, solo el terminal positivo está conectado directamente a la placa de circuito impreso 103. En una realización alternativa, tanto el terminal positivo como el negativo están conectados directamente a la placa de circuito impreso 103. En una realización, la batería 101 se puede unir mediante lengüetas soldadas, unidas, o conectadas de otra manera (es decir, para permitir el flujo de corriente), a sus extremos y que están soldadas directamente a la PCB; las lengüetas están dimensionadas para mitigar una ondulación en la tensión suministrada por la batería 101. En una realización, el área entre las lengüetas contiene el circuito de refuerzo y el inversor de motor trifásico (controlador) para utilizar mejor el espacio entre las lengüetas y reducir la necesidad de capacitancia en el lado de entrada del convertidor elevador. Si la batería 101 está separada de la placa de circuito impreso y está conectada, por ejemplo, mediante cables, se pueden formar ondulaciones en la tensión proporcionada por la batería 101. Tales ondulaciones pueden mitigarse con, por ejemplo, un condensador grande (es decir, un filtro). No obstante, conectar directamente la batería 101 reduce la necesidad de un condensador tan grande. Asimismo, conectar directamente la batería 101 a la placa de circuito impreso utiliza eficientemente el espacio dentro del recinto 109 y evita el uso de componentes y cables adicionales.
A modo de ejemplo, la unidad de potencia 100 como se describe anteriormente se puede fabricar como sigue. La batería 101 de ion de litio de una sola celda puede residir dentro y aproximadamente en el centro del recinto 109 de la unidad de potencia. Se puede utilizar cualquier celda individual adecuada de alta densidad de energía, tal como, por ejemplo, una sola celda de ion de litio que incluye una estructura interna de cerámica para corrientes de carga y descarga relativamente altas. En algunas implementaciones de prototipos, se ha utilizado la batería AHR18700m1 Ultra disponible en A123 Systems of Watertown, MA. Alrededor de la batería puede haber una PCB 103 rígida/flexible que incluye la electrónica de control descrita con más detalle en el presente documento. Alrededor de la PCB flexible 103, puede haber una o más capas de cualquier aislamiento 105 adecuado dispuestas entre la PCB flexible 103 y las superficies internas del recinto 109 de la unidad de potencia. En algunas implementaciones de prototipos, el aislamiento utilizado fue papel Insulfrax de 1/8", disponible en Unifrax I LLC de Tonawanda, NY. El recinto 109 de la unidad de potencia puede estar hecho de cualquier material adecuado para soportar ciclos de presión y temperatura de autoclave estándar. En algunas implementaciones de prototipos, el recinto 109 de la unidad de potencia se hizo de Ultem ™ 1000 disponible de Sabic (Saudi Basic Industries Corporation) de Pittsfield,
MA.
Como se muestra en la figura 9, de acuerdo con una realización, la unidad de potencia 100 puede configurarse para acoplarse y conectarse operativamente a una unidad motorizada 900. La unidad motorizada 900 puede incluir un motor 950 (mostrado en la figura 10) para accionar un implemento quirúrgico. En una realización, el motor 950 puede recibir energía y ser operado de acuerdo con las señales recibidas de las clavijas 133. Un experto en la materia apreciará que la unidad de potencia 100 se puede acoplar a cualquier número de unidades motorizadas, incluidos otros dispositivos médicos alimentados por CC, y la unidad motorizada 900 es solo una realización de una de tales conexiones posibles. Otras conexiones pueden incluir, pero no se limitan a, taladros de velocidad media y alta, así como sierras sagitales, oscilantes y recíprocas.
Según la línea con flechas 910, la unidad de potencia 100 puede separarse de la unidad motorizada 900 por cualquier motivo, como reemplazar la unidad de potencia 100, sustituir la batería 101, esterilizar cada parte, etc. Se puede usar cualquier estructura adecuada conocida en la técnica para unir de forma desmontable la unidad de potencia 100 a la unidad motorizada 900. Por ejemplo, un mecanismo de enganche de tipo friccional "clic" puede basarse en un pestillo de resorte inclinado. Un ejemplo de tales resortes inclinados, que pueden disponerse, por ejemplo, en una ranura en la cubierta de la unidad de potencia, están disponibles en Bal Seal Engineering, Inc. de Foothill Ranch, CA.
De acuerdo con una realización, la velocidad del motor puede controlarse basándose en la posición de la palanca
901 alrededor del punto de pivote 905. Más particularmente, la proximidad del imán 903 al sensor 920 puede dictar la velocidad del motor 950. De acuerdo con una realización, cuando la palanca 901, que puede ser empujada por resorte a una posición abierta donde la palanca 901 está más alejada de la unidad motorizada 900, se presiona hacia la unidad motorizada 900, el imán 903 se aleja del sensor magnético 920 (por ejemplo, un sensor Hall) dispuesto en la cubierta de la unidad de potencia 100. A medida que aumenta la distancia del imán 903 al sensor
920, el controlador del motor puede hacer que la velocidad del motor de la unidad motorizada 900 disminuya (o, en una realización alternativa, que aumente). Más particularmente, a medida que la intensidad del campo magnético producido por el imán 903 y detectado por el sensor magnético 901 aumenta o disminuye, la velocidad del motor puede variar. Por ejemplo, a medida que aumenta la fuerza del campo magnético detectado por el sensor 920, la velocidad del motor puede disminuir.
Un experto en la materia apreciará que la configuración y la posición de la palanca 901 pueden modificarse. Por ejemplo, en una realización alternativa, el sensor 920 puede estar dispuesto en la unidad de potencia 100 y el imán
903 puede estar dispuesto en la palanca 901. Así mismo, en una realización alternativa, la palanca 901 puede montarse en la unidad de potencia 100. En otra realización más, la palanca 901, el imán 903 y el sensor 920 pueden estar dispuestos cada uno en la unidad de potencia 100.
Para evitar activar involuntariamente el motor 950 mientras la unidad de potencia 100 está separada de la unidad motorizada 900, el imán 930 puede tener un tamaño, dimensionarse y posicionarse de manera que el sensor 920 pueda permanecer sustancialmente cerca del imán 903 mientras las dos unidades se separan en una dirección axial
(a lo largo de la línea de flechas 910). En una realización, el imán 903 puede ser lo suficientemente largo como para que, mientras la unidad de potencia 100 se desconecta de la unidad motorizada 900, el sensor pueda continuar detectando el campo magnético del imán 930 hasta que la unidad motorizada 900 se desacople completamente de la unidad de potencia 100. Por tanto, el motor 950 está configurado para no comenzar a girar cuando la unidad motorizada se extrae de la unidad de potencia a lo largo de la línea con flechas 910.
En una realización alternativa, como se muestra en la figura 2, la unidad de potencia
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100 puede incluir una comunicación de entrada de transceptor inalámbrica y controlada por una placa
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circuito impreso 103 o un controlador separado capaz de comunicarse con un dispositivo de control fuera de la unidad de potencia. El transceptor inalámbrico 121, y el circuito de control asociado, puede comunicarse con el dispositivo de control exterior a través de cualquier protocolo de comunicaciones conocido en la técnica. Usando el transceptor inalámbrico, el dispositivo de control puede controlar la velocidad del motor conectado a la unidad de potencia a través de, por ejemplo, un pedal presionado por un usuario. De manera alternativa, el transceptor se puede utilizar para conectarse a un dispositivo informático, como un smartphone o tableta, ordenador portátil, ordenador de sobremesa o servidor. El teléfono móvil o el ordenador conectados se pueden usar para establecer cualquiera de una serie de configuraciones posibles (por ejemplo, velocidad máxima o mínima del motor), para ver métricas medidas (p. ej., niveles de batería) o para controlar el dispositivo (por ejemplo, controlar la velocidad del motor con un dispositivo móvil).
La comunicación/transmisión inalámbrica puede realizarse a través de una red, que puede ser cualquier red cableada o inalámbrica adecuada capaz de transmitir comunicaciones, incluyendo pero no limitado a una red telefónica, Internet, Intranet, red de área local, Ethernet, comunicación en línea, comunicaciones fuera de línea, comunicaciones inalámbricas y/o medios de comunicación similares. La transmisión inalámbrica se puede lograr a través de cualquier protocolo/tecnología inalámbrica, incluyendo, pero sin limitarse a, protocolo basado en estándares ZigBee, tecnología Bluetooth y/o tecnología Wi-Fi. Los dispositivos se pueden ubicar en la misma habitación, en una habitación diferente en el mismo edificio, y/o en un edificio y ubicación completamente diferentes entre sí. Un usuario que utiliza un ordenador principal (o un ordenador diferente) puede enviar transmisión de datos, señales de control o comunicación a la unidad de potencia 100 para iniciar o realizar cualquiera de las funciones descritas en el presente documento.
La figura 11 muestra una vista en sección parcial de una realización de una unidad motorizada 900. Como se muestra, la unidad motorizada 900 puede comprender un interruptor de seguridad 1101, configurado para anular la función de control de velocidad del motor de la palanca 901. En una realización, el interruptor de seguridad 1101 incluye un imán 1102 que interactúa con el sensor de campo magnético en la unidad de potencia. Cuando el imán 1102 del interruptor de seguridad 1101 se mueve axialmente (por ejemplo, deslizándolo) de modo que el imán 1102 esté adyacente al sensor 920, el imán 1102 del interruptor de seguridad 1101 satura el sensor 920 haciendo que el sensor 920 sea incapaz de detectar cualquier cambio en el campo magnético del imán 903 de la palanca 901, de manera que el motor 950 permanecerá apagado independientemente de la posición de la palanca 901. Asimismo, en una realización, el interruptor de seguridad 1101 puede interferir mecánicamente con la palanca 901, cuando está acoplado en la posición segura, obstruyendo el movimiento de la palanca 901 con el fin de proporcionar información adicional al usuario de que el dispositivo está en un estado no operativo.
Haciendo referencia ahora a la figura 12, se muestra un método 1200 (o algoritmo) para comenzar sin problemas, es decir, sin un tirón que lo acompañe, un motor de CC sin escobillas (BLDC). El método 1200 se puede implementar mediante un motor BLDC, como el motor 950 como se describe en esta descripción, junto con una unidad de procesamiento programada para ejecutar las etapas del método 1200, como el procesador descrito junto con la unidad de potencia 100. Mientras que el método 1200 se describe en relación con la unidad de potencia 100 y la unidad motorizada 900, un experto apreciará, junto con una revisión de esta descripción, que este método se puede implementar con cualquier motor BLDC en cualquier contexto donde se requiera un arranque suave o se desee de otra manera.
En la etapa 1202, se puede determinar la posición estática del rotor de un motor BLDC. Esto se puede lograr girando el rotor eléctricamente desde su posición inicial, desconocida, a una segunda posición, conocida, estática. No obstante, mover el rotor a la posición conocida puede provocar en sí mismo una sacudida indeseable del mango, ya que requiere que el rotor gire primero desde una posición desconocida. También se puede determinar la posición estática de un rotor, al detectar, como con un sensor de efecto Hall, la posición del rotor de acuerdo con métodos conocidos en la técnica. La posición del rotor también puede determinarse comparando la corriente relativa consumida a través de diferentes combinaciones de fases. Dicho método se ha descrito en "Algoritmo de control de arranque para control BLDC de carga variable y sin sensor mediante el método de detección de inductancia variable", (AP08018), por Infineon Technologies a G de Múnich, Alemania.
La posición estática del rotor se puede determinar midiendo la corriente consumida por cada combinación de fases en respuesta a una tensión de prueba. Debido a que los imanes permanentes del rotor afectarán a la inductancia de cada fase, cada combinación de fases consumirá una corriente diferente en respuesta a la tensión de prueba. (Además, debido a que los pulsos aplicados a la bobina son de muy corta duración, el rotor del motor no se mueve en una cantidad significativa y, por lo tanto, el cirujano que sostiene la herramienta no siente ningún tirón durante esta etapa de detección de posición estática). Por tanto, por ejemplo, en un motor BLDC trifásico, se puede aplicar una tensión de prueba a la fase A, mientras que las fases B y C están conectadas a tierra y se mide la corriente resultante. A continuación, el proceso se invierte de manera que A puede conectarse a tierra mientras se aplica una tensión de prueba a B y C y se mide nuevamente la corriente resultante. El proceso se puede iniciar de nuevo con la fase C: se puede aplicar una tensión de prueba a C mientras A y B están conectadas a tierra, etc. Esto puede repetirse hasta que se haya medido la corriente consumida por todas las combinaciones de fases (6 en total para el motor BLDC trifásico).
Un experto apreciará, junto con una revisión de esta descripción, que otros motores BLDC pueden tener más, o menos, fases, y cada fase puede ser probada. En consecuencia, un motor BLDC con seis fases puede tener doce combinaciones testables. Un experto en la materia también apreciará que no es necesario probar cada combinación testable; aunque, probar menos combinaciones dará como resultado una medición más rápida de la posición del rotor, por lo que es ventajoso probar el máximo de combinaciones posibles.
Al comparar las corrientes resultantes, cada combinación de fases puede compararse con su reverso: así, la corriente asociada con la fase A alta y B y C baja puede compararse con la corriente asociada con las fases B y C alta y A baja. Se puede suponer que la corriente mayor viaja en la dirección del campo magnético. Por tanto, si la corriente asociada con A alta y B y C baja es mayor que la corriente asociada con B y C alta y A baja, el campo magnético está en la dirección de la corriente que viaja de la fase A a la B y C, y se puede suponer que el polo norte del rotor está más cerca de la fase A que de las fases B y C. Por lo tanto, la posición del rotor puede reducirse aproximadamente 180°. Realizar una comparación similar con cada una de las otras combinaciones de fases reducirá la ubicación del rotor dentro de 60°. Las combinaciones de motores BLDC con más fases y, por lo tanto, más combinaciones de fases, pueden reducir la ubicación del rotor a 30° o incluso a intervalos más pequeños.
La figura 3 muestra un ejemplo de pulso de tensión en la Fase A (traza 301) mientras que la Fase B (traza 303) y C (traza 305) se mantienen bajas. Para la etapa 1202, la corriente es la forma de onda triangular (traza 307). La escala de tiempo horizontal es de 5 ps/div. La corriente puede medirse mediante el uso de un amplificador de alta velocidad colocado a través de una resistencia en derivación de bajo valor. La polaridad de las fases puede entonces invertirse para obtener un pulso igual y opuesto para evitar la magnetización del núcleo del estator. Luego, se realiza el mismo procedimiento para la Fase B y luego la C para un total de seis pulsos. Dependiendo de la magnitud relativa de los pulsos, una tabla de búsqueda puede indicar en cuál de las seis posibles combinaciones de conmutación, o sectores, se encuentra el rotor. Cada combinación se repite dos veces durante una rotación mecánica del rotor, por lo que hay 12 sectores y, por lo tanto, 12 conmutaciones, por revolución completa.
En la etapa 1204, una vez que se conoce la posición del rotor, una secuencia de potencia predeterminada puede comenzar a impulsar el rotor en la dirección deseada. Se puede alimentar al menos una fase (es decir, la fase que se correlaciona con la ubicación actual del rotor). 2. La fase puede ser alimentada por una tensión modulada por ancho de pulso (por ejemplo, una onda cuadrada). Se puede accionar más de una fase a la vez.
Para esta discusión, es útil describir primero un patrón de conmutación típico de un motor BLDC trifásico. Un experto en la materia apreciará que el patrón de conmutación descrito en el presente documento es solo uno de los muchos patrones posibles. Para un motor eléctrico trifásico, durante una rotación completa del rotor, el motor puede conmutar entre seis combinaciones de fases diferentes. A los efectos de esta descripción únicamente, se entenderá que la combinación A-B significa que la fase A está acoplada a la fuente de tensión mientras que B está acoplada a tierra. Por el contrario, se entenderá que B-A significa que la fase B está acoplada a la fuente de tensión mientras que A está acoplada a tierra, y así sucesivamente. Las combinaciones de fases activas durante cualquier período de tiempo dado pueden denominarse "estado". Por tanto, como se muestra en la figura 4, durante la rotación completa del rotor, el motor puede conmutar de fase a fase en el siguiente orden:
TABLA 1 - Patrón de conmutación de combinación monofásica
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No obstante, en cualquier punto dado durante la rotación, al menos dos combinaciones de fases pueden agregar un par de torsión positivo al rotor. Por ejemplo, cuando un rotor se acerca a cierto punto en su trayectoria, tanto la combinación de fases "actual" (es decir, la combinación de fases que agrega el mayor par de torsión al rotor) como la combinación de fases "siguiente" (es decir, la combinación de fases que está programada para comenzar a continuación) agregarán par de torsión positivo al rotor. (Esta explicación asume que las direcciones de corriente necesarias y las combinaciones de fase se han preseleccionado en un patrón de conmutación ventajoso que inicia una combinación de fases "actual" y programa una combinación de fases "siguiente", un ejemplo de tal patrón de conmutación se puede ver en la TABLA 1 anterior). Por ejemplo, si el motor 950 está en el estado 1, y el rotor está siendo accionado por una combinación de fases A-C, en algún momento durante la rotación del rotor, tanto A-C como B-C (es decir, tanto la combinación de fase actual como la siguiente combinación de fase programada) agregarán par de torsión positivo al rotor. Asimismo, una vez, el rotor pasa al estado 2, en algún momento durante la rotación del rotor, A-C dejará de agregar par de torsión positivo al rotor y, en su lugar, B-A (del estado 3) comenzará a agregar par de torsión positivo. Por tanto, las combinaciones de fases se pueden alimentar como se muestra en la figura 5, y según la siguiente tabla:
TABLA 2 - Patrón de conmutación de combinación de fase dual
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Por tanto, para un estado dado, se pueden alimentar tanto la combinación de fase "actual" como la "siguiente". Evidentemente, para motores de más de tres fases, cualquier número de combinaciones de fases que agreguen un par de torsión positivo al rotor se pueden alimentar en cualquier momento dado.
Ambas combinaciones de fases se pueden alimentar con una tensión sustancialmente constante. Además, ambas combinaciones de fase pueden ser alimentadas con una señal modulada de ancho de pulso alternado. Dicho de otra forma, los pulsos de la señal modulada por ancho de pulso pueden alternarse entre cada combinación de fase. Por ejemplo, si, para una determinada posición del rotor, las dos combinaciones de fases alimentadas son A-C y B-C, el primer pulso de la señal modulada por ancho de pulso puede enviarse a A-C, el segundo pulso a B-C, el tercer pulso a A-C, etc. Además, los pulsos no necesitan alternarse directamente entre cada combinación de fases, sino que pueden dividirse en cualquier proporción entre las combinaciones de fases. Por ejemplo, por cada cuatro pulsos entregados a una de las fases, solo uno puede entregarse al otro. La proporción y el orden de los pulsos de fase también se pueden variar a lo largo del tiempo o a medida que el rotor progresa de una fase a otra. Un experto apreciará, junto con una revisión de esta descripción, que la potencia puede entregarse de acuerdo con otros esquemas de modulación, y cualquier esquema adecuado puede usarse para dividir la potencia entre los pares de combinaciones de fases.
A medida que el rotor avanza en su trayectoria y se acerca y luego se aleja de cada fase, por supuesto, es necesario conmutar entre diferentes pares de combinaciones de fases. Por ejemplo, como se muestra en la Tabla 2 anterior, y en la figura 5, en algún momento, el motor 950 conmutará del Estado 1, donde A-C y B-C están recibiendo potencia, al Estado 2, donde B-C y B-A reciben potencia.
Por tanto, el motor 950 conmuta de un primer par de combinación de fase a un segundo par de combinación de fase. La conmutación puede ocurrir cuando la corriente consumida por la combinación de fases "siguiente" cae por debajo de la corriente consumida por la combinación de fases "actual". Un experto en la materia apreciará que para la mayoría de los motores BLDc , la inductancia de una combinación de fases determinada aumenta a medida que el imán del rotor se acerca a ella y, por lo tanto, la tasa de cambio de la corriente disminuye. Lo contrario ocurre cuando el rotor pasa por la combinación de fases y la distancia aumenta. A medida que cae la inductancia de la combinación de fases "actual", la inductancia de la combinación de fase "siguiente" aumenta. El efecto sobre la corriente de fase durante esta rotación se ilustra en la figura 14a, b y c. En la figura 14a, el imán del rotor está más cerca de la combinación de fases "actual" que de la combinación de fases "siguiente". En la figura 14b, el rotor es equidistante entre las dos combinaciones de fases. En la figura 14c, el rotor está ahora más cerca de la combinación de fases "siguiente". En consecuencia, el motor 950 puede conmutar de un primer par de combinaciones de fases al siguiente par de combinaciones de fases cuando la corriente de una de las combinaciones de fases cae por debajo de la corriente de la otra.
Dicho de otra manera, en un motor BLDC trifásico y como se describe arriba, un par dado de combinaciones de fases puede concebirse como que tiene una combinación de fases "actual" y una combinación de fases "siguiente". La conmutación puede ocurrir cuando la corriente de la combinación de fases "siguiente" cae por debajo de la corriente de la combinación de fases "actual". En este punto, la "siguiente" combinación de fases se convierte en la combinación de fases "actual", mientras que la próxima combinación de fases programada se convierte en la combinación de fases "siguiente", y la combinación de fases "actual" original ya no está activada. Por ejemplo, si durante un estado dado, las combinaciones de fases A-C y B-C están alimentadas, la corriente consumida por cada una puede ser monitoreada. Cuando la corriente consumida por B-C cae por debajo de la corriente consumida por A-C, el motor puede conmutar al siguiente estado: dejar de alimentar A-C y, en cambio, comenzar a alimentar B-A además de B-C. Así, ambos pares de combinaciones de fases (es decir, cada estado consecutivo) comparten al menos un par de combinaciones de fases. En el primer estado de cualquier conmutación, la combinación común es la combinación de fases "siguiente", y en el segundo estado, la combinación común es la combinación de fases "actual". Este método de conmutación resultará en una transición suave entre estados, lo cual es particularmente beneficioso a bajas velocidades.
Un experto en la materia apreciará que no es necesario que la conmutación se produzca en el momento preciso en que la corriente en la combinación de fases "siguiente" cae por debajo de la corriente de la combinación de fases "actual". En su lugar, la conmutación puede ocurrir si la corriente "siguiente" es sustancialmente igual o está dentro de un porcentaje definido de la corriente "actual". Por ejemplo, si la corriente de la combinación de fases "siguiente" está dentro del 10 % de la combinación de fases "actual", el motor puede conmutar al estado. De manera alternativa, la conmutación puede ocurrir dentro de un período de tiempo predeterminado después de que la corriente de la fase "siguiente" caiga por debajo (o sea sustancialmente igual o dentro de un porcentaje definido de) la corriente de la combinación de fases "actual". De manera alternativa, la conmutación puede ocurrir después de que la corriente "siguiente" haya caído por debajo de la corriente "actual" para un número dado de pares de pulsos.
La figura 6 muestra un ejemplo de combinación de fases "actual" B-C, mientras que la combinación de fases "siguiente" es B-A. Para mayor claridad, la fase C ha sido sustituida por una señal que indica cuándo el software ha decidido conmutar. Empezando por la izquierda, se puede ver que los números de secuencia impares ('actual') son al principio más pequeños que los pares ('siguiente'), luego iguales, y finalmente más grandes. Cuando 'siguiente' ha sido menor que 'presente' para varios pares de pulsos para confirmación, se produce la conmutación.
El método descrito es menos que óptimo en eficiencia, que se obtiene cuando el motor es alimentado por la combinación de fases "actual". Por encima de cierta velocidad, que varía para un motor dado, se puede emplear otro método llamado detección de cruce por cero de fuerza contraelectromotriz. Cuando un motor gira, la rotación de los imanes del rotor interactúa con las bobinas del estator para formar un generador.
La figura 7 muestra formas de onda ascendentes y descendentes ejemplares (aproximadamente 1 ms entre los dos cursores de tiempo verticales). (Téngase en cuenta que esta figura muestra un esquema de modulación ligeramente diferente de los demás, bipolar en lugar de unipolar, para mayor claridad). La tensión generada aumenta con mayor velocidad, tal que la velocidad máxima del motor, 30 000 r Pm a 10 V en este caso, se obtiene cuando la tensión generada es igual y opuesta a la tensión aplicada, es decir, es una tensión de retorno ya que se opone a la rotación. En el funcionamiento normal del motor, solo dos de las tres fases se activan a la vez, y esta fuerza contraelectromotriz se puede observar en la tercera fase. Cuando la forma de onda ascendente o descendente cruza el punto medio de la tensión de alimentación, el rotor está a medio camino entre el último punto de conmutación y el siguiente, y es sencillo usar un temporizador para determinar exactamente cuándo debe ocurrir la conmutación. Las próximas combinaciones de fases programadas se pueden recuperar de la memoria donde se almacenan en una tabla de búsqueda o en algún otro esquema de almacenamiento ventajoso.
Asimismo, un experto en la materia apreciará, junto con una revisión de esta descripción, que este método puede ampliarse para cualquier número de fases y combinación de fases.
En la etapa 1206, una vez que la velocidad del rotor del motor 950 pasa una velocidad angular predeterminada, el funcionamiento del motor puede pasar a un método de conmutación de tensión más convencional. La velocidad angular del rotor se puede determinar midiendo el tiempo entre cada conmutación, y midiendo así la velocidad a la que el rotor pasa a través de cada sector. Una vez que haya suficiente tensión generada por el imán permanente del rotor que pasa por los devanados del estator del motor, una tensión de una fase de las tres fases que no se alimenta durante un período determinado entre conmutaciones puede utilizarse como señal de retroalimentación para controlar la velocidad del motor. De manera alternativa, las conmutaciones pueden continuar ocurriendo sustancialmente en el momento en que la corriente de fases "siguiente" cae por debajo de la corriente de combinación de fases "actual", independientemente de la velocidad angular del rotor.
La figura 8 muestra una serie de conmutaciones con más detalle (200 ps/div) utilizando un esquema de conmutación más convencional. Todas las formas de onda se cortan debido a la PWM. En el centro, la forma de onda ascendente se puede ver en la fase C abierta, mientras la Fase A está activada y la Fase B está conectada a tierra. Además, se puede ver la variación de corriente dentro de un sector, así como el pronunciado cambio de fase de los picos con respecto al punto de conmutación.
La figura 13 muestra un método 1300, o algoritmo, para notificar a un usuario de una batería baja (u otro mensaje, en realizaciones alternativas). En la etapa 1302, se mide el estado de la batería 101 u otro estado. Por ejemplo, se puede medir la tensión actual producida por la batería 101. De manera alternativa, se puede medir una métrica que indique el funcionamiento adecuado del motor 950.
En la etapa 1304, el valor medido puede compararse con un valor predeterminado. Por ejemplo, si la tensión producida por la batería 101 se mide en la etapa 1302, luego se puede comparar con un valor de tensión predeterminado para determinar si la batería está baja. De manera alternativa, la corriente puede integrarse a lo largo del tiempo y medirse contra un valor predeterminado para controlar la carga de la batería.
Si la batería está baja (o el otro estado medido requiere la notificación del usuario), en la etapa 1306, la velocidad del motor puede cambiarse de acuerdo con un patrón notable, para informar al usuario de la batería baja. Por ejemplo, el motor 950 puede comenzar a una primera velocidad y después de un período de tiempo predeterminado, cambiar a una segunda velocidad. La primera velocidad puede ser una velocidad máxima, una velocidad mínima, la velocidad indicada por el usuario, o cualquier otra velocidad. La segunda velocidad puede ser cualquier velocidad que sea detectablemente diferente de la primera velocidad. Por tanto, si la primera velocidad es una velocidad máxima del motor, la segunda velocidad puede ser menor que la primera. Por el contrario, si la primera velocidad es una velocidad baja, la segunda velocidad puede ser mayor que la primera.
Cuanto menor sea la batería, mayor será el cambio de velocidad. De manera alternativa, el tiempo entre la primera velocidad y el cambio a la segunda velocidad se puede variar de modo que menos carga signifique menos tiempo antes de que se reduzca la velocidad (o, de manera alternativa, más tiempo significa menos carga). De manera alternativa, la velocidad podría cambiarse por un tiempo muy corto, por ejemplo, solo unas pocas decenas de milisegundos, para 'hacer parpadear' la velocidad. Esto daría información auditiva y táctil al usuario. El número de señales luminosas puede representar la carga o algún otro mensaje para el usuario. Por ejemplo, más señales luminosas pueden significar menos carga. Este método puede utilizarse independientemente de la fase de arranque, repitiéndose la secuencia de señales luminosas cada diez segundos, por ejemplo.
De manera alternativa, o además del método descrito en relación con la figura 13, la potencia suministrada al motor 950 puede pulsarse para hacer que el motor 950 emita un sonido audible. Este sonido puede modificarse tanto en tono, como en amplitud y duración para producir una serie de pitidos codificados para transmitir información. De manera alternativa, el sonido puede modificarse a música o mensajes hablados pregrabados. Este sonido puede usarse para transmitir niveles de batería, configuraciones, estados, etc.
La materia objeta descrita anteriormente puede implementarse de muchas formas. Por ejemplo, se puede implementar mediante hardware, software o una combinación de los mismos. Cuando cualquier aspecto se implementa al menos en parte en software, el código de software se puede ejecutar en cualquier procesador o colección de procesadores adecuados, ya sea proporcionado en un solo dispositivo u ordenador o distribuido entre múltiples dispositivos/ordenadores.
Si bien en el presente documento se han descrito e ilustrado varias realizaciones, los expertos en la materia visualizarán fácilmente una variedad de otros medios y/o estructuras para realizar la función y/u obtener los resultados y/o una o más de las ventajas descritas en el presente documento, y cada una de tales variaciones y/o modificaciones se considera que está dentro del alcance de las realizaciones descritas en el presente documento. El alcance de la invención está definido por las reivindicaciones. De manera más general, los expertos en la materia apreciarán fácilmente que todos los parámetros, dimensiones, materiales y configuraciones descritos en el presente documento están destinados a ser ejemplos, y que los parámetros, dimensiones, materiales y/o configuraciones reales dependerán de las aplicaciones específicas para las que se utilizan las enseñanzas. Los expertos en la materia reconocerán, o podrán determinar utilizando únicamente experimentación rutinaria, muchos equivalentes a las realizaciones específicas descritas en el presente documento. Debe, por lo tanto, entenderse que las realizaciones anteriores se presentan a modo de ejemplo únicamente y que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, las realizaciones se pueden poner en práctica de otra manera que la descrita específicamente.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Una herramienta manual quirúrgica motorizada que tiene una unidad de potencia (100) y una unidad motorizada, comprendiendo la unidad de potencia (100):
un recinto exterior (109) que define una cavidad interior; y
al menos una celda de batería completamente dispuesta dentro de dicha cavidad interior,
caracterizada por que la unidad de potencia (100) comprende además una placa de circuito impreso (103) dispuesta dentro de dicha cavidad interior y envuelta al menos parcialmente alrededor de dicha al menos una celda de batería como una capa de aislamiento térmico,
en donde la placa de circuito impreso (103) es al menos parcialmente rígida, en donde la placa de circuito impreso (103) incluye paneles rígidos y porciones flexibles, y en donde los paneles rígidos están conectados por las porciones flexibles.
2. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 1, que comprende además al menos una capa de aislamiento (105) envuelta al menos parcialmente alrededor de dicha al menos una batería como una capa de aislamiento térmico.
3. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 1, en donde la placa de circuito impreso (103) está formada al menos parcialmente a partir de un material de placa de circuito impreso flexible.
4. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 1, en donde la celda de la batería es una batería de alta temperatura.
5. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 1, que comprende además un conector hermético (131) que se extiende desde el recinto (109), en donde el recinto (109) y el conector hermético (131) están juntos herméticamente sellados.
6. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 5, en donde la unidad de potencia (100) comprende además un mamparo (125) que rodea el conector hermético (131), en donde el mamparo (125) comprende una junta tórica, estirado en un camino no circular, y configurado para sellar radialmente una unión entre el mamparo (125) y el recinto (109).
7. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 5, en donde el conector hermético (131) comprende además una pluralidad de clavijas (133).
8. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 5, en donde el conector hermético (131) comprende además una pluralidad de enchufes de clavija hiperbólica.
9. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 7, en donde al menos una de la pluralidad de clavijas (133) está en comunicación con la placa de circuito impreso (103), en donde la placa de circuito impreso (103) está configurada para multiplexar una primera señal y una segunda señal sobre al menos una clavija de la pluralidad de clavijas (133).
10. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 1, en donde la cavidad interior del recinto (109) es un vacío.
11. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 10, que comprende además una válvula de retención unidireccional en comunicación con la cavidad interior y una superficie exterior del recinto (109), en donde la válvula de retención unidireccional está configurada para refrescar el vacío del recinto (109) cuando la superficie exterior del recinto (109) está expuesta al vacío.
12. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 1, en donde dicha unidad de potencia (100) comprende además un resorte inclinado dispuesto en un canal para sujetar dicha unidad de potencia (100) a una unidad motorizada manual quirúrgica.
13. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 1, en donde la unidad de potencia (100) comprende además un transceptor configurado para comunicarse con un dispositivo informático.
14. La herramienta manual quirúrgica motorizada de la reivindicación 1, en donde la unidad de potencia (100) está configurada para variar la potencia entregada a una unidad motorizada manual quirúrgica que tiene un motor, de manera que la velocidad del motor pueda variar de una manera predeterminada que sea perceptible para un usuario.
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