(57)【要約】【課題】利用者の使用感を満足させつつ、利用者の指等にかかる負荷を軽減することができる。【解決手段】パワーアシスト機能付きハサミ１は、静刃１４及び動刃１２が支軸によって回動自在に支持されたハサミ２と、動刃１２の把持部の回動する方向に負荷された力を計測する力センサ５と、動刃１４と静刃１２とが成す角度を計測する角度センサ４と、回動へのアシスト力を付与するアクチュエータ３と、ハサミ２が開状態から閉状態となる場合に、力センサ５により計測された力と、角度センサ４により計測された開き角θと、に基づいて、アシスト力を算出して、アクチュエータへアシスト力を指令する制御部６と、を備える。【選択図】図１
2019084008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静刃及び動刃が支軸によって回動自在に支持されたハサミと、
前記動刃の把持部の前記回動する方向に負荷された力を計測する力計測部と、
前記動刃と前記静刃とが成す角度を計測する角度計測部と、
前記回動へのアシスト力を付与するアクチュエータと、
前記ハサミが開状態から閉状態となる場合に、前記力計測部により計測された力と、前記角度計測部により計測された角度と、に基づいて、前記アシスト力を算出して、前記アクチュエータへ前記アシスト力を指令する制御部と、
を備えたパワーアシスト機能付きハサミ。
【請求項２】
前記制御部は、前記ハサミが前記開状態から前記閉状態となり、かつ、前記角度が予め定めた閾値以下の場合に、前記アシスト力を算出する
請求項１記載のパワーアシスト機能付きハサミ。
【請求項３】
前記制御部は、前記力計測部により計測された力に応じた前記アシスト力が付与されるように前記アクチュエータを制御する
請求項１又は請求項２記載のパワーアシスト機能付きハサミ。
【請求項４】
前記制御部は、前記角度計測部により計測された角度に基づいて、前記動刃と前記静刃との摩擦トルク及び粘性項の和を算出し、前記力計測部により計測された力に基づいて、前記ハサミが切断対象を切断する際の切断トルクを算出し、前記摩擦トルク及び粘性項の和と、前記切断トルクと、に応じた前記アシスト力を算出する
請求項１〜３の何れか１項に記載のパワーアシスト機能付きハサミ。
【請求項５】
摩擦及び粘性の補償比を調整する第１の調整部を備え、
前記制御部は、前記第１の調整部により調整された前記補償比を、前記摩擦トルク及び粘性項の和に乗算することにより、前記摩擦トルク及び粘性項の和を調整する
請求項４記載のパワーアシスト機能付きハサミ。
【請求項６】
前記アシスト力のアシスト比を調整する第２の調整部を備え、
前記制御部は、前記第２の調整部により調整された前記アシスト比を、前記切断トルクに乗算することにより、前記切断トルクを調整する
請求項４又は請求項５記載のパワーアシスト機能付きハサミ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーアシスト機能付きハサミ及びパワーアシスト機能付きハサミの制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハサミを使用する職業として理容師・美容師、造園業等があるが、これらの職業では、ハサミの開閉を繰り返すことによって指や手首等に連続的な負荷がかかり、作業者は腱鞘炎を発症する場合がある。このため、この連続的な負荷を軽減させる手段の一つとしてハサミの開閉動作にかかる力を補助するパワーアシスト機能付きのハサミが提案されている（特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１４６５４４号公報
【特許文献２】特開２０１５−５８２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１、２に開示された技術は、ハサミの開閉時に指にかかる負荷やハサミの開き角等を考慮してハサミの開閉動作をアシストするものではないため、利用者の使用感を満足させつつ、負荷を軽減できるとは限らない。
【０００５】
本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、利用者の使用感を満足させつつ、利用者の指等にかかる負荷を軽減することができるパワーアシスト機能付きハサミ及びパワーアシスト機能付きハサミの制御プログラムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明のパワーアシスト機能付きハサミは、  静刃及び動刃が支軸によって回動自在に支持されたハサミと、前記動刃の把持部の前記回動する方向に負荷された力を計測する力計測部と、前記動刃と前記静刃とが成す角度を計測する角度計測部と、前記回動へのアシスト力を付与するアクチュエータと、前記ハサミが前記開状態から前記閉状態となる場合に、前記力計測部により計測された力と、前記角度計測部により計測された角度と、に基づいて、前記アシスト力を算出して、前記アクチュエータへ前記アシスト力を指令する制御部と、を備える。
【０００７】
請求項２記載の発明は、前記制御部は、前記ハサミが前記開状態から前記閉状態となり、かつ、前記角度が予め定めた閾値以下の場合に、前記アシスト力を算出する。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記制御部は、前記力計測部により計測された力に応じた前記アシスト力が付与されるように前記アクチュエータを制御する。
【０００９】
請求項４記載の発明は、前記制御部は、前記角度計測部により計測された角度に基づいて、前記動刃と前記静刃との摩擦トルク及び粘性項の和を算出し、前記力計測部により計測された力に基づいて、前記ハサミが切断対象を切断する際の切断トルクを算出し、前記摩擦トルク及び粘性項の和と、前記切断トルクと、に応じた前記アシスト力を算出する。
【００１０】
請求項５記載の発明は、摩擦及び粘性の補償比を調整する第１の調整部を備え、前記制御部は、前記第１の調整部により調整された前記補償比を、前記摩擦トルク及び粘性項の和に乗算することにより、前記摩擦トルク及び粘性項の和を調整する。
【００１１】
請求項６記載の発明は、前記アシスト力のアシスト比を調整する第２の調整部を備え、前記制御部は、前記第２の調整部により調整された前記アシスト比を、前記切断トルクに乗算することにより、前記切断トルクを調整する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、利用者の使用感を満足させつつ、利用者の指等にかかる負荷を軽減することができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】パワーアシスト機能付きハサミの構成図である。
【図２】パワーアシスト機能付きハサミの平面図である。
【図３】パワーアシスト機能付きハサミの各部にかかる力について説明するための図である。
【図４】パワーアシスト機能付きハサミの平面図である。
【図５】制御部で実行されるオフライン処理のフローチャートである。
【図６】制御部で実行される処理ルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態では、本発明に係るパワーアシスト機能付きハサミの一例として、理容師及び美容師等が使用する散髪用のハサミに本発明を適用した場合について説明する。
【００１５】
図１には、本実施形態に係るパワーアシスト機能付きハサミ１の構成図を示した。パワーアシスト機能付きハサミ１は、ハサミ２、アクチュエータ３、角度センサ４、力センサ５、制御部６、記憶部７、ダイヤル８、及びダイヤル９を備えている。
【００１６】
図１に示すように、ハサミ２は、支軸１６により回動自在に支持された動刃１２及び静刃１４を備えている。動刃１２には、アクチュエータ３の駆動軸が支軸１６として固定されている。また、静刃１４には、アクチュエータ３の本体が固定されており、駆動軸は固定されていない。これにより、動刃１２にのみアクチュエータ３の駆動力が伝達される。なお、図１では、説明の便宜上、アクチュエータ３とハサミ２とを離して図示している。
アクチュエータ３としては、例えばモータ、ソレノイド、空気圧、油圧、及び人工筋肉等を用いることができるが、これらに限られるものではない。アクチュエータ３としてモータを用いた場合には、例えば回転量をコントロールすることが可能なステッピングモータ又はサーボモータ等を用いることができる。また、アクチュエータ３としてソレノイドを用いた場合には、単純なレシプロ動作となる。
ハサミ２は、通常動刃１２を利用者の親指によって回動させて、対象物を静刃１４との間に挟み込んで切るものであり、本実施形態でも同様である。なお、支軸１６は、回動自在に支持できること、および挟み込みの状態を調節できるものであれば良い。
【００１７】
動刃１２の対象物を切断する側の先端を刃先１２Ａ、支軸１６に近い刃を刃元１２Ｂと称する。また、刃元１２Ｂから刃先１２Ａにかけての動刃１２の先端部の連なりを刃線１２Ｃと称する。
【００１８】
静刃１４についても同様であり、静刃１４の対象物を切断する側の先端を刃先１４Ａ、支軸１６に近い刃を刃元１４Ｂと称する。また、刃元１４Ｂから刃先１４Ａにかけての静刃１４の先端部の連なりを刃線１４Ｃと称する。
【００１９】
刃線１２Ｃ及び刃線１４Ｃは、刃元から刃先まで、髪を高精度に切断するために形状が曲線となっているのが通常であるが、本実施形態では、説明を簡単にするために刃線１２Ｃ及び刃線１４Ｃは直線であるものとして説明するが、以下の説明は、刃線１２Ｃ及び刃線１４Ｃが曲線状となっている場合も含むものである。
【００２０】
刃線１２Ｃと刃線１４Ｃとが成す角度をはさみ角θＣと称する。このはさみ角θＣが、実際に被切断物を挟み込む角度となる。また、ハサミ２の開き度合いを示す角度を開き角θと称する。具体的には、動刃１２の中心線１２Ｄと静刃１４の中心線１４Ｄとが成す角度を開き角と称する。ここで、中心線１２Ｄは、支軸１６から刃先１２Ａまでの刃幅の１／２の位置を結んだ線である。中心線１４Ｄも同様に、支軸１６から刃先１４Ａまでの刃幅の１／２の位置を結んだ線である。
【００２１】
また、ハサミ２を閉じた状態で、外側に露出する面を刃面、内側に隠れる面を裏すき面と称する。図１では、静刃１４の刃面１４Ｅ、動刃１２の裏すき面１２Ｅを示した。また、動刃１２は、親指を入れるための把持部としてのリング１２Ｆを備えている。静刃１４は、薬指を入れるためのリング１４Ｆを備えている。動刃１２のリング１２Ｆには、静刃１４のリング１４Ｆとの衝突を緩衝するためにストッパー１２Ｇが設けられている。静刃１４のリング１４Ｆには、小指を掛けるための小指掛け１４Ｇが設けられている。
【００２２】
動刃１２及び静刃１４は、被切断物の噛み込み等を避けるため、支軸１６、切断点Ｋ、動刃１２と静刃１４との触点Ｓ、の３点で接触する。ここで、触点Ｓとは、支軸１６と、支軸１６からリング１２Ｆ及び１４Ｆまでの柄の部分と、の間で動刃１２及び静刃１４が接触している部分をいう。
【００２３】
ここで、切断点Ｋは、図１に示すように、ハサミ２を平面視した場合に、動刃１２と静刃１４とが交差する点である。
【００２４】
ハサミ２は、動刃１２のリング１２Ｆに親指を入れ、静刃１４のリング１４Ｆに薬指を入れて使用する。ハサミ２を開閉する際には、静刃１４は動作させずに動刃１２のみを動作させる。
【００２５】
ハサミ２が閉じている場合、切断点Ｋは刃先１２Ａ及び１４Ａにある。切断点Ｋは、動刃１２と静刃１４とが交わる点であり、ハサミ２を開く場合は支軸１６側に移動し、ハサミ２を閉じる場合は刃先１２Ａ及び１４Ａ側に移動する。このため、ハサミ２は、閉じていくにつれて切断に必要な力が大きくなる。
【００２６】
アクチュエータ３には、角度センサ４が設けられている。角度センサ４は、アクチュエータ３の回転角を検出することで、ハサミ２の開き角θを検出する。角度センサ４としては、例えばエンコーダ又はレゾルバ等が用いられるが、これらに限られるものではない。なお、アクチュエータ３自体に角度調整機能を持たせても良い。この場合、例えばハサミ２の開閉動作への抵抗に対して発生する電流値を測定することで角度を検出することができる。
【００２７】
また、動刃１２のリング１２Ｆの内側には、力センサ５が設けられている。力センサ５は、リング１２Ｆに親指を入れてハサミ２を開状態から閉状態とする際に力が付与される位置に設けられている。力センサ５は、本発明に係る力計測部の一例である。
【００２８】
制御部６は、ハサミ２を開状態から閉状態とする動作に対するアシスト力を付与するため、角度センサ４により検出された開き角θ及び力センサ５により検出された力に基づいて、アクチュエータ３を駆動するための指令信号（例えば電圧）、すなわち前記アシスト力に対応する指令信号を算出してアクチュエータ３に出力する。これにより、ハサミ２を開状態から閉状態とする際にアクチュエータ３が駆動されてアシスト力が付与され、利用者の指等にかかる負荷が軽減される。
【００２９】
制御部６は、ハードウェア構成としては、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等を含んで構成される。ＣＰＵは、後述する処理ルーチンをＣＰＵに実行させるための制御プログラムが記憶された記憶部７から当該制御プログラムを読み出して実行する。なお、制御プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ、メモリーカード等の記録媒体により提供するようにしてもよく、図示しないサーバからダウンロードするようにしてもよい。
【００３０】
記憶部７には、後述する各種パラメータ及び後述する処理ルーチンのプログラム等を記憶している。
【００３１】
次に、パワーアシスト機能付きハサミ１のモデルについて説明する。
【００３２】
図２には、ハサミ２の各種パラメータを示した。図２において、ｌｔは、支軸１６から動刃１２の刃先１２Ａまでの距離（ｍ）である。ｌｆは、支軸１６から力点Ｐまでの距離（ｍ）である。ここで、力点Ｐは、利用者の親指の力が加わる点である。ｌ１は、支軸１６から切断点Ｋまでの距離（ｍ）である。ｌ２は、支軸１６から触点Ｓまでの距離（ｍ）である。ｌ３は、支軸１６から動刃１２の重心Ｍまでの距離（ｍ）である。ｌ４は、支軸１６のワッシャの半径（ｍ）である。
【００３３】
θは、ハサミ２の開き角（ｒａｄ）である。ここで、ハサミ２の開き角とは、前述したように、動刃１２の中心線１２Ｄと静刃１４の中心線１４Ｄとが成す角度である。θＣは、ハサミ２のはさみ角（ｒａｄ）である。ここで、ハサミ２のはさみ角とは、前述したように、動刃１２の刃線１２Ｃと静刃１４の刃線１４Ｃとが成す角度である。
【００３４】
ｔθは、切断点Ｋにおける動刃１２の刃幅（ｍ）である。ここで、刃幅とは、動刃１２の長手方向と直交する方向の長さである。ｔｍｉｎは、動刃１２の最小の刃幅の１／２の長さ（ｍ）である。ｔｍａｘは、動刃１２の最大の刃幅の１／２の長さ（ｍ）である。
【００３５】
図３には、支軸１６の周りに働く力を示した。図３において、ｆは動刃１２を回転させる力（Ｎ）である。
【００３６】
ｆ１は、切断点Ｋにおける摩擦力（Ｎ）である。ｆ２は、触点Ｓにおける摩擦力（Ｎ）である。ｆ３は、動刃１２に働く回転方向の重力（Ｎ）である。ｆ４は、支軸１６における摩擦力（Ｎ）である。ｆＰは、切断トルク（Ｎｍ）である。ｆＭは、アクチュエータ３のアシストトルク（アシスト力）（Ｎｍ）である。
【００３７】
本実施形態では、ハサミ２を開閉する際、静刃１４を固定し、動刃１２のみを動かすものとする。ハサミ２の開閉動作の運動方程式は、静刃１４を固定して動刃１２のみを回転させるため、支軸１６の周りのモーメントの釣り合いによって導出できる。
【００３８】
まず、支軸１６から切断点Ｋ までの距離ｌ１を、ハサミ２の開き角θと切断点Ｋにおける刃幅ｔθを用いて表す。刃幅ｔθは、θ、ｔｍｉｎ、ｔｍａｘ、ｌｔを用いて、次式で表される。
【００３９】
【数１】
2019084008.tif 000003
・・・（１）
【００４０】
ｌ１は、θ、ｔθを用いて次式で表される。
【００４１】
【数２】
2019084008.tif 000004
・・・（２）
【００４２】
ハサミ２の支軸１６の周りの力のモーメントの釣り合いの運動方程式は、慣性モーメントＩ、粘性係数Ｄを用いて、次式で表される。
【００４３】
【数３】
2019084008.tif 000005
・・・（３）
ただし、
2019084008.tif 000006
は開き角θを時間微分したものであり、開き角θの角速度を表す。また、
2019084008.tif 000007
は開き角θの角速度を時間微分したものであり、開き角θの角加速度を表す。また、
2019084008.tif 000008
は摩擦トルクである。また、
2019084008.tif 000009
は、シグナム関数（符号関数）であり、動刃１２の開閉動作方向に基づく力の方向を表す。また、ｆＣは、摩擦の合力モーメントと重力モーメントとの合力（Ｎｍ）であり、次式で表される。
【００４４】
【数４】
2019084008.tif 000010
・・・（４）
【００４５】
切断点Ｋにおける摩擦力ｆ１は、刃および触点Ｓの摩擦係数μ１と切断点Ｋの垂直荷重ｆ１’を用いて、次式で表される。
【００４６】
【数５】
2019084008.tif 000011
・・・（５）
【００４７】
触点Ｓにおける垂直荷重ｆ２’と支軸１６における垂直荷重ｆ４’は、垂直荷重ｆ１’と釣り合う力であるため、触点Ｓにおける摩擦力ｆ２と支軸１６における摩擦力ｆ４は、支軸１６から力点Ｐまでの距離ｌｆと支軸１６のワッシャの摩擦係数μ２を用いて、次式で表される。
【００４８】
【数６】
2019084008.tif 000012
・・・（６）
【００４９】
【数７】
2019084008.tif 000013
・・・（７）
【００５０】
動刃１２に働く重力の回転方向成分ｆ３は、ハサミ２の開き角θによって回転方向が変化するため、動刃１２の質量をｍ（ｋｇ）、重力加速度をｇとして次式で表される。
【００５１】
【数８】
2019084008.tif 000014
・・・（８）
【００５２】
上記（５）〜（８）式より、上記（４）式は、次式で表される。
【００５３】
【数９】
2019084008.tif 000015
・・・（９）
【００５４】
切断対象である髪を切断する切断トルクｆＰ、アクチュエータ３によるアシストトルクｆＭを考慮すると、上記（３）式は、次式で表される。
【００５５】
【数１０】
2019084008.tif 000016
・・・（１０）
【００５６】
次に、髪の切断時に生じる切断荷重の導出について説明する。髪の切断時の断面図を図４に示す。図４に示すように、髪の束Ｈの半径をｒとし、本実施形態では、髪の束Ｈが長方形の帯状になっていると仮定する。また、髪の束Ｈを切り込む刃の面積は動刃１２と静刃１４において同じ量とする。
【００５７】
切断荷重は、刃の進行方向に髪を圧縮変形させる力と、刃面に対して垂直方向に髪を圧縮変形させる力の２つがあるが、刃の進行方向の圧縮変形力については刃先が鋭利であることから無視できる。刃面に垂直な方向の圧縮変形力は、刃が食い込んだ面積に比例すると考える。従って、髪のヤング率をＥ、ひずみをε、切り込んだ刃の面積をＡとすると、髪の束Ｈを圧縮変形させる力ｆＣは、次式で表される。
【００５８】
【数１１】
2019084008.tif 000017
・・・（１１）
【００５９】
刃の面積Ａは、図４に示すように、刃が切り込んだ部分（図４においてハッチングした部分）を台形の面積と考えれば、次式で表される。
【００６０】
【数１２】
2019084008.tif 000018
・・・（１２）
【００６１】
また、はさみ角θＣは、θ、ｔｍｉｎ、ｔｍａｘ、ｌｔを用いて、次式で表される。
【００６２】
【数１３】
2019084008.tif 000019
・・・（１３）
【００６３】
従って、上記（１０）式のｆＰは、ｆＣ、ｌ１を用いて、次式で表される。
【００６４】
【数１４】
2019084008.tif 000020
・・・（１４）
【００６５】
本実施形態では、髪を切らない空切り動作の負荷を低減するために、ハサミ２とアクチュエータ３の摩擦・粘性補償を行う。利用者の使用感を満足させつつ、利用者の指等にかかる負荷を軽減するためには、摩擦・粘性による負荷を考慮して、動刃１２の作動に要する力を設定し、利用者の力だけでは不足する分の力を補償する必要がある。そこで、摩擦・粘性補償を行うために、摩擦力、慣性モーメント、及び粘性をモデル同定する。
【００６６】
まず、上記（９）式を次式のように書き換える。
【００６７】
【数１５】
2019084008.tif 000021
・・・（１５）
【００６８】
ただし、α、βは、次式で表される。
【００６９】
【数１６】
2019084008.tif 000022
・・・（１６）
【００７０】
【数１７】
2019084008.tif 000023
・・・（１７）
【００７１】
本実施形態では、摩擦・粘性補償を行うため、α、β、および慣性モーメントＩ、粘性Ｄを数値最適化法の一つであるParticle Swarm Optimization（以下：ＰＳＯ）アルゴリズムを用いて同定する。なお、同定の手法としては、ＰＳＯアルゴリズムに限らず、他のアルゴリズムを用いても良い。
【００７２】
本実施形態に係るハサミ２のモデルは非線形なモデルである。例えば最小二乗法で慣性モーメントＩ等を同定する場合、パラメータの探索ができないことから同定に時間がかかってしまう。そこで、パラメータを効率的に探索するために、ＰＳＯアルゴリズムを用いる。なお、ＰＳＯアルゴリズムは公知のアルゴリズムであるため、詳細な説明は省略する。
【００７３】
ＰＳＯアルゴリズムを用いて、慣性モーメントＩ等のパラメータの最良解の探索を行うため、評価関数を定義する必要がある。そこで、ハサミ２の支軸１６に取り付けられたアクチュエータ３を駆動させて開閉動作を行い、その時に得られた入出力データを用いて評価関数を定める。
【００７４】
例えば、ハサミ２の初期角度をπ／１２（ｒａｄ）とした状態で、振幅π／３（ｒａｄ）、周期０．２５（ｓ）の矩形波信号でアクチュエータ３を駆動させ、ハサミを開閉する。開閉動作で得られた角度変化θｉと、モデルのシミュレーションにおける角度変化θＳの平均二乗誤差を評価関数Ｊとすると、Ｊは次式で表される。
【００７５】
【数１８】
2019084008.tif 000024
・・・（１８）
【００７６】
そして、上記（１８）式が最小となるように、慣性モーメントＩ等のパラメータを同定する。
【００７７】
次に、ハサミ２の使用前に、制御部６により実行されるオフライン処理について図５に示すフローチャートを参照して説明する。
【００７８】
オフライン処理では、ハサミ２を開閉する際に生じる摩擦力、慣性モーメントＩ、アクチュエータ３の粘性Ｄを同定する。
【００７９】
まず、ステップＳ１００では、ハサミ２の開き角の初期角度を前述したようにπ／１２（ｒａｄ）に設定する。
【００８０】
ステップＳ１０２では、振幅π／３（ｒａｄ）、周期０．２５（ｓ）の矩形波信号をアクチュエータ３に出力してアクチュエータ３を駆動させてハサミ２を開閉させる。
【００８１】
ステップＳ１０４では、角度センサ４から出力された角度情報と矩形波信号を取得する。
【００８２】
ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４で取得した角度情報から得られた角度変化θｉと、モデルのシミュレーションを実行することにより得られた角度変化θＳの平均二乗誤差により定義される上記（１８）式で表される評価関数Ｊを用いて、ＰＳＯアルゴリズムを実行する。
【００８３】
ステップＳ１０８では、上記（１８）式のＪが最小となるようなα、β、慣性モーメントＩ、粘性Ｄを同定する。これらのパラメータは、記憶部７に記憶しておく。
【００８４】
次に、ハサミ２が使用される際に制御部６で実行される処理について図６に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図６の処理は、繰り返し実行される。
【００８５】
ステップＳ２００では、角度センサ４から開き角θを取得する。ハサミ２の開閉に伴ってアクチュエータ３の軸も回転するため、アクチュエータ３が回転した角度を、ハサミ２の開き角θとして角度センサ４から取得する。なお、角度センサ４は、開き角θをパルス信号として出力する。
【００８６】
ステップＳ２０２では、ステップＳ２００で取得した開き角θのパルス信号をラジアンに変換する。
【００８７】
ステップＳ２０４では、上記（１０）式の粘性項（左辺第２項）を算出するために、ステップＳ１０２で取得した開き角θ（ｒａｄ）を角速度に変換する。
【００８８】
ステップＳ２０６では、ハサミ２の開閉で速度が入れ替わる際の振動を抑制するため、ステップＳ２０４で得られた角速度に対して、予め定めたカットオフ周波数ｃｆでフィルタ処理をする。なお、カットオフ周波数ｃｆとしては、例えば０．００３Ｈｚが好適である。これは、発明者らが実験した結果、カットオフ周波数ｃｆを０．００３Ｈｚとした場合が、振動の抑制が最も効果的とみられたためである。なお、カットオフ周波数ｃｆは０．００３Ｈｚが好適であるが、これに限られるものではない
【００８９】
ステップＳ２０８では、予め同定された粘性ＤとステップＳ２０６でフィルタ処理された角速度に基づいて上記（１０）式の粘性項を算出する。
【００９０】
ステップＳ２１０では、支軸１６から髪の切断点Ｋまでの距離ｌ１が発散しないようにするため、開き角θが予め定めた閾値ＴＨ１より大きいか否かを判定する。なお、閾値ＴＨ１は、本実施形態では例えば０．０３１（ｒａｄ）とするが、これに限られるものではない。閾値ＴＨ１は、開き角θが閾値ＴＨ１以下の場合はハサミ２が閉じている状態と判定できる値に設定する。
【００９１】
そして、開き角θが予め定めた閾値ＴＨ１より大きい場合はステップＳ２１２へ移行し、開き角θが予め定めた閾値ＴＨ１以下の場合はステップＳ２１４へ移行する。
【００９２】
ステップＳ２１２では、ステップＳ２００で取得した開き角θと、切断点Ｋにおける刃幅ｔθと、を上記（２）式に代入することにより、支軸１６から切断点Ｋまでの距離ｌ１を算出する。なお、切断点Ｋにおける刃幅ｔθは、ステップＳ２００で取得した開き角θと、記憶部７に記憶されたｔｍａｘ、ｔｍｉｎ、ｌｔと、を上記（１）式に代入することにより算出する。
【００９３】
一方、ステップＳ２１４では、ハサミ２が閉じている状態なので、支軸１６から切断点Ｋまでの距離ｌ１を、支軸１６から動刃１２の刃先１２Ａまでの距離ｌｔに設定する。
【００９４】
ステップＳ２１６では、摩擦トルクを、摩擦の合力モーメントと重力モーメントとの合力ｆｃと、ステップＳ２０４で算出した角速度と、に基づいて算出する。
【００９５】
ステップＳ２１８では、ステップＳ２０８で算出した粘性項と、ステップＳ２１６で算出した摩擦トルクとの和を、アクチュエータ３に対する指令信号に変換する。
【００９６】
なお、摩擦と粘性の補償比はダイヤル８を回すことにより、０．０〜１．０の範囲で調整することができる。すなわち、利用者によって摩擦・粘性の補償の程度を調整可能であり、例えば補償比を１．０に設定すれば摩擦・粘性をほぼ完全に取り除くことができる。また、例えば補償比を１．０未満に設定すれば、使用感を満足させるために、ハサミ２の開閉時の重さの好みに応じて摩擦・粘性を残すことができる。
【００９７】
そこで、ステップＳ２２０では、ダイヤル８の位置を取得することで摩擦と粘性の補償比を取得する。そして、取得した補償比を、ステップＳＳ１１８で取得した指令信号に乗算することにより、指令信号を調整する。
【００９８】
ステップＳ２００〜Ｓ２２０の処理と並行して、ステップＳ２２２〜Ｓ２３８の処理が実行される。
【００９９】
ステップＳ２２２では、力センサ５が検出した力、すなわちリング１２Ｆに挿入された利用者の親指が力センサ５にかけた力を取得する。なお、力センサ５は検出した力を信号値に変換して制御部６に出力するので、制御部６は、力センサ５から出力された信号値を取得する。また、本ルーチンが最初に実行された際には、力センサ５から出力された信号値を基準値として記憶部７に記憶させる。
【０１００】
ステップＳ２２４では、記憶部７から基準値を読み出し、読み出した基準値とステップＳ１２２で取得した信号値との差分を算出する。そして、算出した差分が予め定めた閾値以上の場合には、前回本ルーチンを実行した際にステップＳＳ２２で取得した信号値を基準値として記憶部７に記憶する。これにより、基準値が更新される。
【０１０１】
ステップＳ２２６では、ステップＳ２２２で取得した信号値をひずみに変換する。
【０１０２】
ステップＳ２２８では、ステップＳ２２４で取得したひずみと、力センサ５の面積と、に基づいて、力センサ５にかかる荷重を算出する。この荷重が、ハサミ２を閉じる力に相当する。なお、力センサ５の面積は予め記憶部７に記憶しておく。
【０１０３】
ステップＳ２３０では、力センサ５から親指が離れる際にステップＳ２２８で取得した荷重の値を０付近に収束させるために、予め定めたカットオフ周波数ｃｆ２（例えば１ｋＨｚ）で荷重にフィルタをかける。
【０１０４】
ステップＳ２３２では、ステップＳ２２８で取得した荷重と、支軸１６から力点までの距離ｌｆと、ステップＳ２１６で算出した摩擦トルクと、を用いて、ハサミ２を閉じるトルクを算出する。具体的には、上記（１０）式の
2019084008.tif 000025
を算出する。
【０１０５】
ステップＳ２３４では、上記（１０）式の髪を切断する切断トルクｆＰを外乱として、外乱オブザーバを用いて、切断トルクｆＰを推定する。
【０１０６】
具体的には、ステップＳ２３２で算出した値を外乱オブザーバの入力値として切断トルクｆＰを推定する。なお、外乱オブザーバを用いて外乱を推定する方法としては、種々公知の技術を用いることができ、例えば特許第４４号公報に記載の技術を用いることができる。
【０１０７】
ステップＳ２３６では、ステップＳ２３４で推定した切断トルクｆＰをアクチュエータ３のアシストトルクｆＭとしてアクチュエータ３の指令信号に変換する。切断トルクｆＰは、髪を切断する際に空切り時のトルクから増大された値である。従って、この切断トルクｆＰを打ち消すアシストトルクｆＭを発生させればよい。
【０１０８】
なお、切断トルクｆＰに対するアクチュエータ３のアシスト比は、ダイヤル９を回すことにより、０．０〜１．０の範囲で調整することができる。
【０１０９】
そこで、ステップＳ２３８では、ダイヤル９の位置を取得することでアシスト比を取得する。そして、取得したアシスト比を、ステップＳ２３６で取得した指令信号に乗算する。
【０１１０】
ステップＳ２４０では、ハサミ２が開状態から閉状態へ動作しているか否かを判定する。そして、ハサミ２が開状態から閉状態へ動作している場合はステップＳ２４２へ移行し、ハサミ２が開状態から閉状態へ動作していない場合、すなわちハサミ２が閉状態から開状態へ動作している場合又は開閉動作が停止している場合はステップＳ２４２へ移行する。なお、ハサミ２が開状態から閉状態へ動作しているか否かの判定は、例えば前回本ルーチンを実行したときにステップＳ２００で取得した開き角θと今回ステップＳ２００で取得した開き角θとを比較し、今回取得した開き角θが前回取得した開き角θよりも小さい場合は、ハサミ２が開状態から閉状態へ動作していると判定し、今回取得した開き角θが前回取得した開き角θ以上の場合には、ハサミ２が開状態から閉状態へ動作していないと判定すればよい。
【０１１１】
ステップＳ２４２では、ステップＳ２００で取得した開き角θが予め定めた閾値ＴＨ２より大きいか否かを判定する。閾値ＴＨ２は、本実施形態では一例として０．１（ｒａｄ）とするが、これに限られるものではない。
【０１１２】
そして、開き角θが閾値ＴＨ２より大きい場合はステップＳ２４４へ移行し、開き角θが閾値ＴＨ２以下の場合は、ステップＳ２４６へ移行する。
【０１１３】
ステップＳ２４４では、ステップＳ２２０で調整された指令信号とステップＳ２３８で調整された指令信号とを加算した信号（第１の指令信号）でアクチュエータ３を駆動する。これにより、ユーザーがハサミを閉じる動作を行う場合に、アクチュエータ３によってアシスト力が付与されるため、ユーザーの指にかかる負荷が軽減される。
【０１１４】
一方、ステップＳ２４６では、ステップＳ２２０で調整された指令信号（第２の指令信号）でアクチュエータ３を駆動する。すなわち、ハサミ２を開く動作又は開閉動作が停止している場合は、アシスト力を付与する必要はないため、ハサミ２の摩擦・粘性のみを考慮した第２の指令信号でアクチュエータ３を駆動する。
【０１１５】
このように、本実施形態では、力センサ５を用いてユーザーの指にかかる力を計測すると共に、角度センサ４を用いてハサミ２の開き角θを計測する。そして、ハサミ２が開状態から閉状態へ動作している場合に、開き角θが閾値ＴＨ２より大きい場合、すなわち利用者の力だけでは不足する分の力を補償する必要がある場合は、摩擦・粘性による補償及び切断トルクが考慮された指令信号でアクチュエータ３を駆動する。一方、開き角θが閾値ＴＨ２以下の場合は、摩擦・粘性による補償のみが考慮された指令信号でアクチュエータ３を駆動する。このため、利用者の使用感を満足させつつ、利用者の指等にかかる負荷を軽減することができる。
【０１１６】
また、本実施形態では、散髪用のハサミに本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、例えば植木の剪定用のハサミ等、他の用途のハサミにも本発明を適用可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１１７】
１     パワーアシスト機能付きハサミ
２     ハサミ
３     アクチュエータ
４     角度センサ
５     力センサ
６     制御部
７     記憶部
８、９ ダイヤル
１２   動刃
１４   静刃
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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