電動螺絲起子的電棘輪的制作方法
【專利摘要】一種電動螺絲起子系統，包括電棘輪。根據一個方面，該電動螺絲起子系統包括起子外殼并包括布置在該外殼內的電機。工作端提供旋轉輸出并機械聯接至轉子。電源對電機提供電力。控制器接收代表電機狀態的信號，并基于所接收的信號，以提供電棘輪的方式控制電機。
【專利說明】電動螺絲起子的電棘輪
【技術領域】
[0001]本發明總體涉及螺絲驅動系統領域，且更具體地涉及具有棘輪系統的螺絲驅動系統。
[0002]背景
[0003]對于驅動螺絲和螺栓，電動螺絲起子比手動螺絲起子效率高得多。但是，不非常小心的話，電動螺絲起子可能過度擰緊或過度旋轉螺絲或螺栓。一些關鍵的應用中，諸如手術應用中，用戶可手動驅動螺絲以避免過度擰緊或將驅動螺絲定位在所需的旋轉位置處。這些情形中，用戶可通過電動起子驅動螺絲直到螺絲開始接近關鍵位置。然后，為了降低過度擰緊或過度旋轉的幾率，用戶可將電動起子放置一旁并通過單獨的棘輪或手動螺絲起子手動擰緊螺絲。
[0004]對于擰緊螺絲或螺栓，棘輪比手動螺絲起子更有效率，因為它們防止沿驅動方向轉動并提供沿另一方向的連續飛輪旋轉。相應地，在手術應用中，棘輪通常優選于手動螺絲起子。常規的棘輪使用在驅動工件的手柄與被驅動硬件之間的機械組件。例如，常規的機械棘輪組件包括齒輪系統、帶有棘爪的高摩擦表面、帶齒和棘爪或斜撐以機械地限制沿一個方向旋轉的鏈輪。
[0005]這些常規的棘輪要求大機械組件，這同時增加了總體工具的大小并增加了總體重量。例如，棘輪外殼大小可以設置成容納機械棘輪系統。此外，這些機械組件增加了棘輪的質量并因此增加了工具的旋轉部件的額外慣性。更大、更重的系統可增加操作者疲勞和/或操作者受傷，潛在地導致較低效的抒緊目標導向(screw targeting)。這可影響患者的手術效果。
[0006]本文所公開的裝置和方法克服了上述討論和/或本領域的一個或多個缺點。
【發明內容】
[0007]本發明涉及具有電棘輪的電動螺絲起子系統。
[0008]根據一個方面，本發明涉及電動螺絲起子系統，其包括具有構造用于由用戶抓持的手柄部分的起子外殼并包括布置在該外殼內的電機。該電機包括定子和可旋轉地布置在該定子內的轉子。工作端提供旋轉輸出并機械聯接至轉子。電源對電機提供電力。控制器接收代表電機狀態的信號，并基于所接收的信號，以提供電棘輪能力的方式控制電機。
[0009]一個方面中，控制器構造成接收表示轉子相對于定子的位置的信號，并構造成為電機提供電力以維持轉子相對于定子在第一方向上的所需位置。另一方面中，控制器構造成允許轉子沿相反于第一方向的第二方向相對于定子飛輪旋轉。
[0010]另一示例性方面中，本發明涉及具有手持起子和控制臺的電動螺絲起子系統。手持起子包括外殼和布置在該外殼內的電機，該外殼具有構造用于由用戶抓持的手柄部分。工作端提供旋轉輸出并機械聯接至轉子。控制臺獨立于并電連通于手持起子。控制臺包括控制器，該控制器構造成當沿第一方向在電機上施加負載時維持轉子在定子內的所需的相對位置，該控制器還構造成當沿第二方向在電機上施加負載時允許轉子在定子內的飛輪移位。
[0011]一個方面中，該控制器構造成接收表示轉子相對于定子的位置的信號，且該控制器構造成基于該信號確定轉子的所需的相對位置。
[0012]另一示例性方面中，本發明涉及手術螺絲起子系統的操作方法。該方法包括步驟:評估相對于定子的起始轉子位置并設定相對于該定子的第一所需的轉子位置，其大致等于該起始轉子位置。該方法還包括步驟:使電機換向來基本上維持相對于定子的第一所需的轉子位置并抵消沿第一方向施加在轉子上的負載。允許在定子內的實際轉子位置響應于沿第二方向施加在轉子上的負載移位。該方法還包括設定相對于定子的第二所需的轉子位置，其大致等于所移位的轉子位置。
[0013]一個方面中，該方法包括確定誤差因子作為第一所需的轉子位置與實際轉子位置之間的差，以及當誤差因子超過預定閾值時執行使電機換向以基本上維持第一所需的轉子位置的步驟。一個方面中，該方法包括確定誤差因子作為第一所需的轉子位置與實際轉子位置之間的差，以及當所需的轉子位置是正的且所述誤差因子是負的時，或者當所需的轉子位置是負的且所述誤差因子是正的時，執行設定第二所需要的轉子位置的步驟。
[0014]本發明的各方面、形式、實施例、目標、特征、益處、和優點將從本文所提供的詳細附圖和說明而變得明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]從本文描述的上下文中描述和采用的附圖中將最佳地理解本發明的各方面。
[0016]圖1是根據本發明的第一實施例的包括驅動器和控制臺并設有電棘輪的示例性電機電動螺絲起子系統的示意圖。
[0017]圖2是圖1的示例性起子上的模式選擇器的高度簡化的剖視圖。
[0018]圖3是示出根據本發明的一個方面的具有電棘輪的電機電動螺絲起子系統的功能部件的框圖。
[0019]圖4是根據本發明的示例性方面的電機的剖視圖。
[0020]圖5是示出根據本發明的一個方面的具有電棘輪的電機電動螺絲起子系統的功能部件的框圖。
[0021]圖6是示出根據本發明的一個示例性方面的控制邏輯的流程圖。
【具體實施方式】
[0022]為了促進對本發明原理的理解，現參照附圖中示出的實施例或示例，且具體的語言用于描述這些實施例。但是應當理解并不由此限制本發明的范圍。所描述的實施例中的任何改變和進一步修改，以及本文描述的本發明的原理的任何進一步應用，對本發明所涉及的領域內的技術人員來說是應當會預料到的。
[0023]本發明描述了具有電棘輪的電機驅動電動螺絲起子系統。該系統通過防止或限制電動起子和被驅動螺絲沿一個方向的相對旋轉，同時允許沿另一方向的飛輪旋轉來控制電機形成棘輪。具體地，為了使用電棘輪驅動螺絲，螺絲起子系統檢測電機部件的位移并通過為該電機供電來響應以限制或防止進一步移位。因此，當由于手動施加轉矩而導致發生電機移位時，電機被供電以有效地抵消該移位，限制起子相對于螺絲沿一個方向滑動。但是，電機有效地允許沿第二方向的飛輪旋轉。因此，通過相對于被驅動螺絲旋轉整個起子，用戶可卡住(ratchet)并驅動螺絲至所需的深度和定向。如本文所使用的，飛輪旋轉意在包含至少兩種情形:首先，飛輪旋轉在電機不被供電時發生，以防止電機沿第二相反的方向移位；以及其次，飛輪旋轉在電機被供電發生，以在電機沿第二相反方向旋轉時抵消傳遞系統阻力。
[0024]電動螺絲起子系統尤其良好地適于其中起子被用于驅動骨螺釘(諸如椎弓根螺釘)的手術應用。用戶可使用電機電動起子來驅動螺釘至其所需深度附近。但是，為了降低過度擰緊或過度驅動的風險，用戶可停止通過電機的常規驅動并使用起子作為棘輪來完成將螺釘植入所需的轉矩或深度。此外，由于一些骨螺釘，諸如一些椎弓根螺釘必須定向成接納脊柱桿、電纜或其他醫療儀器，電棘輪能夠允許根據要求對準螺釘而不使起子脫離螺釘且不需單獨的棘輪或手動螺絲起子的精細調整。這提高了外科醫生的手術效率和便利性。此外，由于電棘輪沒有大且重的機械棘輪部件，所得到的棘輪螺絲起子不增加操作者疲勞或潛在的操作者受傷。這可導致更有效的擰緊目標導向和提高的患者結果。
[0025]此外，因為電棘輪系統使用電機控制而不是笨重的機械部件運行，本文所公開的系統實現了棘輪操作而不增加額外的質量和重量。通過避免額外的質量，本文所公開的起子不具有來自機械系統的額外慣性，使得起子更有效。這獲得了緊湊尺寸并最小化了起子重量，這對操刀的外科醫生而言是重要的益處。
[0026]圖1示出根據本發明的一示例性實施例的電動螺絲起子系統100。該系統包括電機電動起子102和控制臺104。起子102以可變的旋轉速度運行以在手術過程中驅動絲錐、鉆頭和手術硬件，諸如骨螺釘。除了使用電機執行這些功能之外，起子102還構造有電棘輪。起子102包括呈手柄106和槍管108形狀的外殼105。這里,手柄106從槍管108以手槍抓持方式延伸以便于用戶和用戶舒適性。手柄106包括電氣端口 110和輸入裝置，這里顯示為觸發器112。一些示例中，觸發器112包括永磁體和霍爾效應傳感器。使用中，由霍爾效應傳感器檢測到的磁場基于觸發器112和觸發器內靠近霍爾效應傳感器的磁體的相對位置而變化。
[0027]槍管108包括夾頭116和模式選擇器118。還可包括其它輸入裝置，諸如扭力控制桿或限制件、對準件、以及其它特征。夾頭116布置在驅動器102的工作端處并接收諸如絲錐、鉆頭、插座或其它工具的工具。模式選擇器118布置成控制起子102的驅動方向。一些示例中，除其它模式之外，可采用的模式包括正向模式、反向模式、擺動模式、鎖定或不旋轉模式。通過切換模式選擇器118，用戶可控制夾頭116的旋轉驅動方向。所示的示例中，模式選擇器118是圍繞槍管108的一部分布置的襯套。其它實施例中，模式選擇器118是按鈕、撥動桿、搖臂開關，或其它輸入設備。
[0028]起子102包含電機，用于驅動在工作端處的工具。一些示例中，電機是無刷直流電機，其構造成由控制臺102供電。這些示例中，電氣部分110通過電纜114將起子102與控制臺104連接。其它示例中，起子和控制臺無線通信。一個示例中，起子102的手柄106包括電機，該電機布置成使得電機軸從手柄106向上延伸進入槍管108。齒輪機構將電機軸連接至大致水平延伸的驅動軸，該驅動軸連接至夾頭116并被用來驅動鉆孔工具或由起子102接納的機械端。
[0029]圖2更詳細示出模式選擇器118的一個示例。這里，模式選擇器118包括襯套120，襯套120包括徑向突出凸片122，該徑向突出凸片122使得用戶能夠容易地圍繞中心軸線旋轉模式選擇器以改變驅動模式。磁環124固定至襯套120并與襯套120 —起旋轉。磁環124和襯套120布置在起子槍管108的本體126的一部分上，絕緣層128和霍爾效應傳感器130布置在其中。磁環124包括多個磁體132。模式選擇器118的旋轉將磁體132相對于霍爾效應傳感器130移位。霍爾效應傳感器130產生信號，該信號用于識別模式選擇器118的位置并同樣地識別選定的模式。所不的實施例中，模式選擇器118可將代表模式或襯套的位置的信號通信到控制臺104。模式選擇器的其它示例包括單個磁體132和多個霍爾效應傳感器130。可預料到其他類型的傳感器作為霍爾效應傳感器的替代，例如干簧管傳感器
坐寸o
[0030]模式選擇器使得用戶能夠選擇起子102的工作模式。所示的示例中，除其它模式之外，可采用的模式包括正向模式、反向模式、擺動模式、鎖定或不旋轉模式。一些設計提供與軸控制不相關的輔助用戶輸入。磁體相對于霍爾效應傳感器的位置提供了所選定模式的指示。這被通信回控制臺104用于處理和功能實現。
[0031]回到圖1，控制臺104可包括運行起子102的控件和設定。一個示例中，控制臺104構造成接收來自起子102的信號并基于這些所接收的信號且結合在控制臺處直接接收的用戶設定，控制起子102的輸出。一些這種方案的示例可從下面的描述中變得明顯。值得指出的是一些系統不包括單獨的控制臺，且在這種實施例中，可在其它地方執行所有的測定和計算，例如在起子102自身中。
[0032]圖3示出根據本發明的示例性方面的系統100的一個示例的方框圖。如可看到的，該系統包括起子102和控制臺104。該示例中，起子102包括觸發器112、模式選擇器118、H橋148以及電機150。
[0033]H橋148將來自控制臺104的電力引到電機150。根據由模式選擇器118確定的工作模式，H橋沿一個方向或另一方向引導電力。例如,如果模式選擇器118從正向模式變化到反向模式，則H橋重定向電力通過電機并切換其運行方向。
[0034]該示例中，電機150是無刷直流電機，其具有由來自H橋148的三個輸入所表示的三個線圈。圖4示出根據本發明的一個方面的無刷直流電機的程式化示例。圖4中的電機150是同步電機并包括定子160、轉子162以及布置在轉子162上并可與轉子162 —起旋轉的永磁體164。該示例中，電機是三相電機，但是在其它實施例中也可使用兩相和單相電機。定子160包括線圈166。該示例中，磁體164包括具有交替的北極和南極的兩個極對。因此，所示的示例是四極電機。但是，另一示例中，僅使用單極對電機或兩極電機。其它實施例包括實質上更多的極對。一些示例中具有多達8個極對或更多，具有的極對越多，則可得到更精確的控制。如常規電機系統一樣，轉子162相對于定子160旋轉。定子相對于起子外殼105固定。因此，當用戶物理上旋轉起子以實現螺釘的手動驅動時，定子160相對于起子外殼105保持固定。一些不例中，電機具有電機外殼，其圍繞著相對于起子外殼105固定在位的定子160。
[0035]回到圖3，控制臺104包括處理系統和存儲器，存儲器編程成使得控制臺104構造成接收來自用戶的各種設定輸入(例如最大速度和最大轉矩)并基于該用戶的設定輸入和對起子102上的觸發器112的按壓來控制起子102的電機。在這方面，系統100的控制臺104將位置控制和轉矩控制提供至起子102的電機。[0036]該示例中，控制臺104包括模數轉換器(ADC) 152和控制器154，控制器154包括運行位置評估模塊158的處理器156。該系統100還包括存儲器、用戶接口、通信模塊以及其它標準設備，該存儲器含有影響系統100工作方式的可執行程序。使用控制臺104的一些示例中，用戶能夠設定系統的最大速度、加速度、加速度率(jerk)和模式(正向、反向或擺動)。另外，處理器156接收指示觸發器112的下壓量的信號。被發送至處理器156的信號可以基于由霍爾效應傳感器感應的磁場而指示出觸發器下壓量，如上所指示的。而且，如上所指示的，起子與控制臺之間的所有信號通信可以通過電纜114。或者，通信可以是無線藍牙、W1-F1、常規RF、紅外線或其它通信方法。
[0037]所示的示例中，處理器156是數字信號處理器，其接收來自用戶的各種設定輸入。基于這些設定，以及具體地預存儲的可執行程序，該處理器控制H橋并將信號發送至H橋，所述信號被傳送給電機150。例如，使用所接收的關于最大速度、加速度、加速度率、模式以及觸發器位置的輸入，控制器154驅動起子102的轉子的位置。控制器154輸出具有根據所需控制曲線的占空比的脈寬調整控制信號以控制轉子的位置。
[0038]該示例中，控制臺104使用來自電機150的反電動勢(EMF)以控制電機150的轉子位置來確保電機轉子實現控制曲線所定義的所需位置。這通過檢測每個線圈在其轉到控制器154處時的EMF水平來完成。EMF信號從電機發送至ADC，其將EMF信號轉換成數字信號，其然后傳送至控制器154。在標準工作過程中，如通過EMF檢測的，如果轉子未實現所需位置(例如轉子轉動過多或不夠多)，則控制器154基于代表轉子的實際位置與轉子的所需位置之間的差的誤差信號，調節占空比。以此方式，系統100監控轉子的位置來確保在起子102使用過程中，轉子實現所需位置。
[0039]起子102中，定子160 (圖4)相對于起子外殼(105)固定在位。電機轉子162直接地或通過例如齒輪系統至少可旋轉地、機械聯接至驅動軸和夾頭116。因此，轉子162相對于定子160的運動指示了夾頭116 (以及夾頭中的工具)相對于起子外殼105的運動。因此，當夾頭116和驅動軸與工具(該工具可嚙合至螺釘)配合時，系統100可檢測螺釘與起子102直接的相對運動。該示例中，系統100的控制器154構造成通過接收數據，諸如指示出相對于定子的轉子位置的EMF，并以足以降低或防止轉子與定子之間進一步檢測到的相對運動的水平對電機供電來操作電棘輪。
[0040]圖5示出根據本發明的示例性方面的系統100的一個示例的方框圖。如可看到的，該系統IOOa包括起子102和控制臺104。該示例中，起子102包括觸發器112、模式選擇器118、H橋148以及電機150。但是,該實施例還包括位置感應元件170。該位置感應元件170可以是構造成直接識別轉子在電機150中位置的任何裝置。一個示例中，位置感應元件170是多個霍爾效應傳感器。該示例中，霍爾效應傳感器布置在電機的定子中并構造成檢測轉子的磁極穿過和發射電壓信號，該電壓信號被傳遞到控制臺104。一個示例使用三個霍爾效應傳感器。但是，可考慮更多和更少數量的霍爾效應傳感器。
[0041]圖5中，控制臺104包括ADC152和控制器154。但是，這里，控制器154可接收直接指示轉子位置的數據，且因此控制器不需包括位置評估模塊158。如上關于圖3所描述，ADC152將來自位置感應元件170的電壓信號轉換成數字信號并將其傳至控制器154。該示例中，控制器154直接檢測轉子相對于定子的位置，而不是如圖3系統100所需的確定位置。控制器154然后可基于轉子的位置運行以防止或限制飛輪沿一個方向旋轉而允許飛輪沿另一方向旋轉，由此實現棘輪效果。雖然描述為霍爾效應傳感器，位置感應元件170也可以是旋轉編碼器或測量轉子162相對于定子160的位置的其它直接位置測量系統。
[0042]參考圖6對此作進一步解釋，圖6示出通過控制器154執行以實現電動螺絲起子系統100的電棘輪功能的邏輯流程圖。一個示例中，該邏輯流程是存儲在存儲器中并可由處理器156執行的可執行程序。由附圖標記200表示的方法開始于步驟202，步驟202中，處理器156估計轉子相對于定子的當前位置。這可以多種方法中任一種來完成，包括上述的那些方法，其中控制器154監控來自電機150的EMF，并基于該EMF確定轉子的位置，或者其中控制器154從霍爾效應傳感器或與電機關聯的編碼器接收指示轉子相對于定子的位置的信號。
[0043]在步驟204，控制器確定棘輪模式是否打開或啟動。一個示例中，這通過檢測模式選擇器118的位置來完成。如果模式選擇器118處于其中棘輪模式啟動的位置，則從起子102發射信號到控制臺104以供控制器154處理。該信號允許控制器以棘輪模式運行系統100。一些不例中，該信號是缺少交流信號。上述的模式選擇器118中，模式選擇器118處于正向模式且觸發器不被壓下的任何時候，棘輪模式沿正向方向啟動。模式選擇器118處于反向模式且觸發器不被壓下的任何時候，棘輪模式沿反向啟動。其它示例中，模式選擇器包括獨立于正向和反向模式的棘輪模式。因此，用戶可通過將模式選擇器移動到棘輪模式來啟動或打開棘輪模式。模式選擇器可包括獨立于上述的模式選擇器的按鈕或開關，并可布置在控制臺104或起子102上。如果在步驟204處未打開棘輪模式，則該系統在一個循環中反復，繼續估計轉子相對于當前位置的當前位置。該情形中，起子仍可在正常功能下運行，允許正向驅動、反向驅動或擺動，以及其它的控制情況。
[0044]如果在步驟204處，棘輪模式打開，則控制器154在步驟206處確定棘輪先前是否打開或是否是該循環中第一次。如果在步驟206處這是循環中第一次，則該循環設定轉子相對于定子所需的位置。這里，在步驟208處，該循環將所需的位置設定成等于當前位置。在步驟208處將所需的位置設定成等于當前位置的步驟使用在步驟202所估計的當前位置。帶著在步驟208處設定的所需的位置，過程返回到步驟202并再次估計轉子相對于定子的當前位置。所估計的當前位置值被存儲用于以后使用。
[0045]如果棘輪模式先前在步驟206處啟動或打開，則在步驟210處控制器154確定棘輪是否被設置成正向(順時針)或反向(逆時針)旋轉。一些實施例中，旋轉方向完全與模式選擇器的設定關聯。例如，如果模式選擇器設置成正向模式，則該方向可以設定為正向。如果模式選擇器設置成反向模式，則該方向選擇器可以不設置為正向，相反設置為方向。一些示例中，如上面所指示的，系統100可構造成僅沿單個方向作為棘輪。因此，在步驟210處的方向選擇器也可是確定棘輪是否打開的條件且因此，在一些示例中可以是步驟204的一部分。
[0046]在其中棘輪可以選擇成正向或反向的示例中，該方法根據選定的方向從步驟210繼續。如果在步驟210處方向是正向，則該方法確定所需的位置與在步驟202處最后采取的當前位置之間的差。該差在本文中稱為誤差值。然后將該誤差值與預設閾值X比較以確定是否使用電機來抵抗所施加的載荷并使用該系統作為棘輪。該閾值X是一變量，規定在電機啟動之前自所需的位置的一定程度移動。但是，一些示例中，該值X是零或大致為零。
[0047]在步驟212處，如果當前位置與所需的位置之間的誤差值大于預設定值X，則在步驟214處控制器154使電機換向以實現所需的位置。因此，當起子外殼開始相對于夾頭和起子102中的驅動工具移位時，當前位置與所需的位置之間的誤差值增加，直到其超過預設值x。一旦該誤差值大于X，則控制器154用足以有效地抵消被施加的轉矩的電力來控制電機，以維持轉子大致在相對于定子的所需的位置。這不需要必須要求將誤差變成零，而是可包括僅限制或控制誤差值的進一步增加。由此，當用戶正向轉動起子102而不壓下觸發器122時，電機基本上維持相對于定子的轉子位置，由此手動驅動硬件，諸如骨螺釘。另外，由于閾值X可以是微米級別，相對位移對用戶來說是難以察覺的。一個示例中，X值的大小小于一度的相對移動。
[0048]如果在步驟212處，當前位置與所需的位置之間的誤差值小于X值，則處理器154在步驟216處確定該誤差值是否小于零。在步驟216處，小于零的值指示轉子162正在相對于定子160沿反向旋轉。與常規機械棘輪工作一致，允許沿一個方向的飛輪旋轉，而不允許沿另一個方向的飛輪旋轉。因此，該實施例中，在步驟216處，電機不被控制成限制或防止沿反向旋轉。因此，如果當前位置與所需的位置之間的誤差值小于零，則在步驟218處，控制器254將所需的位置重設到所檢測到的當前位置。這提供了新開始點(所需的位置)。
[0049]如果在步驟216處，當前位置與所需的位置之間的誤差值不小于零，但也不大于步驟212處的X，則控制器返回到步驟202并再次開始該過程。
[0050]現回到步驟210，如果棘輪設定不被設定成正向棘輪，則在一個示例中，在步驟220處，控制器154確定當前位置與所需的位置之間的誤差值并將其與X的負值(-X)比較。運行然后以類似于上面參考步驟212、214、216和218描述的方式工作，但使用相反的方向，導致負x。即，如果誤差值小于負X，則在步驟214處，控制器154控制電機來將當前位置維持在所需的位置。如此，該系統有效地限制或防止起子102與夾頭或夾頭中的起子的相對運動。如果當前位置與所需的位置之間的誤差值不小于負X，則在步驟222控制器154確定誤差值是否大于零。如果誤差值大于零，則在步驟218處，所需的位置設置成等于當前位置。如果不大于零，則處理器返回步驟202。
[0051]圖4所描述的方法200用于根據設定允許沿正向和方向變成棘輪的系統。一些實施例允許僅沿一個方向變成棘輪，諸如正向驅動方向。這種系統中，可以不存在步驟220和222。因為電機被供電以防止或限制夾頭與起子102之間的相對移動，用戶可通過沿正向旋轉起子102而不按壓觸發器來驅動儀器或工具，不管是螺釘、絲錐、鉆頭或其它儀器或工具。
[0052]一個示例中，構造系統100從而當起子沿飛輪旋轉方向手動旋轉時，起子102或控制臺104發出咔嗒(clicking)聲。例如，當系統處于棘輪模式且夾頭相對于起子本體移位達預設旋轉范圍(按照轉子相對于定子的移位來測量)時，可發出咔嗒聲。一個實施例中，控制器154構造成產生一信號，該信號導致每隔10度飛輪旋轉有一次咔嗒噪聲。發出咔嗒噪聲的揚聲器可以布置在起子102上或控制臺104上。因此，用戶可以如在常規機械系統，諸如具有棘爪的有齒鏈輪齒系統中用戶可聽到機械產生的咔嗒噪聲相同的方式聽到電子產生的咔嗒聲。一些示例中，電機的PWM電壓為用戶提供可聽到的反饋，而不是可聽到的咔嗒噪聲。例如，隨時所施加的軸轉矩增加，由電機產生的可聽音可為用戶提供反饋。一些示例中，隨著轉矩增加，可聽首的首量提聞，或者隨著轉矩增加，首聞(基于頻率)提聞。
[0053]雖然所示和所描述的為同時具有起子和控制臺，本發明的一些實施例包括一種起子，其含有本文所公開在控制臺104上的處理能力。因此，一些示例中，控制器154布置在起子本身上。另外，雖然所示的實施例揭示了取自控制臺104的工作電源，一些起子實施例包括它們自身單獨的電源，諸如電池電源，使用可充電電池組或一次性電池。一些實施例包括可插入常規電源插座的電源線。
[0054]一些示例中，起子是構造成按手術設定使用的手術工具。因此，可以按照通過高壓滅菌器消毒的方式來構造起子。另外，起子可構造成完全自容納，而不排出或釋放來自電機的材料或細絲，這可能導致對無菌區域污染。
[0055]如上所述，電棘輪的飛輪能力包括不供電給電機以防止電機沿相反于第一驅動方向的第二飛輪方向移位。因此，用戶可自由地相對于螺釘沿第二相反方向旋轉起子。一些實施例中，電棘輪的飛輪能力還提供某種小程度電機電源以在電機沿第二飛輪方向旋轉時抵消傳遞系統阻力。因此，其中傳遞系統阻力超過手術硬件(諸如骨螺釘)上的摩擦力的一些示例中，硬件仍在第一驅動方向和第二飛輪方向上都不與起子一起旋轉。相反，其將沿第一驅動方向與起子一起旋轉，但電機將運行以抵消起子中的固有阻力，從而起子不在第二飛輪方向上與起子一起旋轉。這為用戶提供了電棘輪功能正沿第二飛輪方向進行飛輪旋轉，但阻力由電機克服的感覺。
[0056]本文所述的裝置、系統和方法提供了驅動諸如骨螺釘的手術工具和其它手術工具的改進系統。 申請人:提請注意，本文公開的過程僅是示例性的且本文公開的系統和方法可以用于多種其它醫療處理和手術。雖然已經詳細說明和描述了多個選擇的實施例，應理解它們是示例性的，且各種替代和改變是可能的而不脫離本發明的由下面權利要求書限定的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種電動螺絲起子系統，包括: 起子外殼，所述起子外殼具有構造成由用戶抓持的手柄部分； 布置在所述外殼內的電機，所述電機包括定子和轉子，所述轉子可旋轉地布置在所述定子內； 工作端，所述工作端提供旋轉輸出，所述工作端機械聯接至所述轉子； 電源，所述電源布置成為所述電機供電；以及 控制器，所述控制器布置成接收代表電機狀態的信號，并基于所接收的信號，以提供電棘輪能力的方式控制電機。
2.如權利要求1所述的電動螺絲起子系統，其特征在于:所述控制器構造成接收指示所述轉子相對于所述定子的位置的信號，并構造成為所述電機提供電力以維持所述轉子相對于所述定子在第一方向上的所需的位置。
3.如權利要求2所述的電動螺絲起子系統，其特征在于:所述控制器構造成允許所述轉子沿相反于第一方向的第二方向相對于所述定子飛輪旋轉。
4.如權利要求1所述的電動螺絲起子系統，還包括起子和單獨的控制臺，所述起子包括所述起子外殼、所述電機和所述工作端，且所述單獨的控制臺包括所述控制器，所述控制臺與所述起子電連通以控制所述電機。
5.如權利要求1所述的電動螺絲起子系統，其特征在于:代表電機狀態的信號是指示所述轉子相對于所述定子的位置的信號，且所述控制器構造成基于所述信號確定所述轉子的位置。
6.如權利要求5所述的電動`螺絲起子系統，其特征在于:所述信號是指示來自所述電機的電磁力的信號和來自轉子感應元件的信號之一。
7.如權利要求1所述的電動螺絲起子系統，其特征在于:所述控制器構造并布置成以通過以下手段提供電棘輪能力的方式控制電機: 建立所述轉子相對于所述定子的所需的位置；以及 當沿第一方向施加轉矩抵抗轉子時，使電機換向以將所述轉子基本上維持在所需的位置。
8.如權利要求7所述的電動螺絲起子系統，其特征在于:所述控制器還構造并布置成以通過以下手段提供電棘輪能力的方式控制電機: 當沿第二方向施加轉矩抵抗轉子時，允許所述轉子飛輪移位。
9.如權利要求1所述的電動螺絲起子系統，其特征在于:所述起子外殼和電機是可高溫滅菌的以在手術程序之前消毒所述外殼。
10.如權利要求1所述的電動螺絲起子系統，包括: 模式選擇器；以及 控制所述電機的輸入裝置， 且所述控制器構造成當模式選擇器處于正向模式且所述輸入裝置不被壓下時以棘輪模式運行。
11.一種電動螺絲起子系統,包括: 手持起子，包括: 外殼，所述外殼具有構造成由用戶抓持的手柄部分；布置在所述外殼內的電機，所述電機包括定子和轉子，所述轉子可旋轉地布置在所述定子內；以及 工作端，所述工作端提供旋轉輸出，所述工作端機械聯接至所述轉子； 控制臺，所述控制臺獨立于所述手持起子并與所述手持起子電連通，所述控制臺包括: 控制器，所述控制器構造成當沿第一方向在所述電機上施加負載時使所述電機換向以維持所述轉子在所述定子內的所需的相對位置，所述控制器還構造成當沿第二方向在所述電機上施加負載時，允許所述轉子在所述定子內飛輪移位。
12.如權利要求11所述的電動螺絲起子系統，其特征在于:所述控制器構造成接收指示所述轉子相對于所述定子的位置的信號，且所述控制器構造成基于該信號確定所述轉子的所需的相對位置。
13.如權利要求12所述的電動螺絲起子系統，其特征在于:所述信號是表示來自所述電機的電磁力的信號和來自轉子感應兀件的信號之一。
14.如權利要求11所述的電動螺絲起子系統，其特征在于:所述控制器構造并布置成: 建立所述轉子和所述定子的所需的相對位置；以及 當沿第一方向施加轉矩抵抗轉子時，使電機換向以將所述轉子基本上維持在所需的相對位置。
15.如權利要求1所述的電動螺絲起子系統，其特征在于:所述起子外殼和電機是可高溫滅菌的以在手術程序之前消毒外殼。
16.如權利要求11所述的手術螺絲起子系統，其特征在于:手持起子構造成發出代表相對于定子的實際轉子位置的信號，且控制臺構造成建立所需的轉子位置、構造成從所述手持起子接收代表實際轉子位置的信號，并構造成確定什么時候實際轉子位置從所需的轉子位置偏離，其中，所述控制器構造成當實際轉子位置從所需的轉子位置偏離預設閾值量時使所述電機換向。
17.—種螺絲起子系統的操作方法，包括: 評估相對于定子的起始轉子位置； 設定相對于所述定子的第一所需的轉子位置，其大致等于所述起始轉子位置； 使電機換向來基本上維持相對于所述定子的所述第一所需的轉子位置，并抵消沿第一方向施加在所述轉子上的負載； 響應于沿第二方向施加在轉子上的負載，允許在所述定子內的實際轉子位置的移位；以及 設定相對于所述定子的第二所需的轉子位置，其大致等于所移位的轉子位置。
18.如權利要求17所述的方法，包括: 確定誤差因子為第一所需的轉子位置與實際轉子位置之間的差；以及當所述誤差因子超過預定閾值時執行使所述電機換向以基本上維持所述第一所需的轉子位置的步驟。
19.如權利要求17所述的方法，包括: 確定誤差因子為第一所需的轉子位置與實際轉子位置之間的差；以及當所需的轉子位置是正的且所述誤差因子是負的時，或者當所需的轉子位置是負的且所述誤差因子是正的時，執行設定第二所需的轉子位置的步驟。
20.如權利要求17所述的方法，還包括: 確定是否啟動電棘輪能力； 確定模式選擇器是否處于正向模式或反向模式；以及 產生信號，用以當實際轉子位置從所需的轉子位置飛輪轉動時發出可聽咔嗒噪聲。
【文檔編號】A61B17/88GK103596730SQ201280028229
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年4月25日 優先權日:2011年4月27日
【發明者】C·L·費爾, M·L·小克爾茲 申請人:美敦力施美德公司