Bachelor's Thesis

Development and experimental analysis of an artificial pneumatic muscle

Final Thesis 3.3 MB

Author of thesis: Jan Pavlíček

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Michal Michalec, Ph.D.

Reviewer: Ing. Matúš Ranuša, Ph.D.

Abstract:

Pneumatic muscles offer an interesting alternative to pneumatic cylinders, despite exhibiting significant differences. This work focuses on the design of a McKibben pneumatic muscle for use in a humanoid robotic hand. As part of the design, a force analysis is conducted and subsequently verified in the discussion. The study also examines how structural components and lubrication regimes influence the muscle's isobaric force characteristics. Thanks to their unique response to input pressure profiles, McKibben pneumatic muscles show potential for use as servo drives, making them applicable in industrial automation and robotics.

Keywords:

McKibben muscle, Artificial Muscle, Pneumatic muscle, PAM, lubrication regime

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své bakalářské práce a zodpověděl otázky oponenta. Pre sval V7 navrhujete v závere pridať ochrannú membránu na udržanie maziva, ktoré zvyšuje vykonanú prácu o 54 %. Z akého materiálu by podľa vás mala byť táto membrána vyrobená, aby efektívne držala mazivo a zároveň negatívne neovplyvnila poddajnosť svalu? - zodpovězeno Ing.Košťál - Výhody použítí tohoto sval namísto např. pístu? - zodpovězeno Ing.Škaroupka - Jaké spojení vláken při tisku je nutné dodžet? - zodpovězeno Doc. Kubík - O jaký se jedná materiál? Řešil jste tuhost dílu? Zvažoval jste použití silikonového oleje? - zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

doc. Ing. David Nečas, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Michal Kubík, Ph.D. (místopředseda)
Ing. David Škaroupka, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Valena, Ph.D. (člen)
Ing. David Košťál, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Michalec, Ph.D.

Práce se zabývá návrhem, výrobou a experimentálním ověřením funkčních prototypů umělých pneumatických svalů s důrazem na kvantifikaci pohybového rozsahu, přesnosti polohování a generované síly v závislosti na vstupním tlakovém režimu. V úvodní části práce jsou popsány základní principy umělých pneumatických svalů a dostupná konstrukční řešení. Rešeršní část poskytuje přehled problematiky, avšak její rozsah je poměrně stručný a mohl by být rozšířen o větší množství relevantních, včetně novějších, odborných publikací. Velmi pozitivně hodnotím návrh a realizaci testovacích stanic, které byly využity pro systematické hodnocení jednotlivých variant umělých svalů. Student navržené konstrukce nejen experimentálně ověřil, ale současně je popsal pomocí matematického modelu, jehož predikce následně porovnával s naměřenými daty. Výsledky jsou zpracovány přehledně a doplněny vhodnou grafikou, přičemž jejich interpretace poskytuje cenné poznatky pro další vývoj a optimalizaci umělých pneumatických svalů. Nechybí ani zhodnocení jednotlivých konstrukčních variant a formulace doporučení pro jejich další využití a budoucí směřování vývoje. Za přínosné považuji také skutečnost, že student neopomněl analyzovat poruchové stavy některých prototypů a diskutovat možné příčiny jejich vzniku, čímž přispěl k hlubšímu pochopení sledované problematiky. Hlavní cíl i dílčí cíle práce považuji za splněné v plném rozsahu. Student pracoval po celou dobu řešení velmi samostatně, k tématu přistupoval aktivně a přicházel s vlastními návrhy a nápady, které průběžně konzultoval.  Vzhledem k uvedeným skutečnostem, zejména s ohledem na úspěšný návrh, realizaci a experimentální ověření několika variant umělých pneumatických svalů včetně návrhu specializovaných testovacích zařízení, doporučuji práci k obhajobě s výsledným hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Matúš Ranuša, Ph.D.

Predložená bakalárska práca sa zaoberá aktuálnou témou robotiky s využitím pneumatických svalov typu McKibben. Autor v rešeršnej časti prehľadne mapuje históriu a súčasné trendy v oblasti lineárnych aj nelineárnych aktuátorov, pričom správne identifikuje výhody poddajnosti týchto systémov pre humanoidnú robotiku.

Hlavným prínosom práce je rozsiahla experimentálna časť. Študent navrhol a vlastnoručne zostrojil dve funkčné testovacie stanice (meraciu a cyklovaciu) a vytvoril 7 konštrukčných variantov svalov s využitím 3D tlače a opletov. Oceňujem najmä snahu o kvantifikáciu vplyvu počtu vlákien a režimu mazania na silovú charakteristiku, čo viedlo k výberu optimálneho variantu V7 pre aplikáciu v humanoidnej ruke tímu Pneumotion.

Slabšou stránkou práce je teoretický model. Autor v diskusii priznáva neplatnosť odvodených silových vzorcov, ktoré boli založené na silovej rovnováhe namiesto vhodnejšieho konceptu virtuálnej práce. Táto teoretická chyba viedla k predikcii fyzikálne nemožných stavov, ako je expanzia média pri zmenšujúcom sa objeme. Pozitívne však hodnotím, že študent dokázal túto chybu spätne identifikovať a kriticky vyhodnotiť.

Po technickej stránke autor priznáva problémy so spoľahlivosťou zápisu dát na SD kartu a nedostatočnú citlivosť váhového senzora pri malých záťažiach. Napriek týmto limitáciám je množstvo a kvalita realizovaných experimentov (napr. únavové skúšky) nadpriemerná a práca poskytuje cenný podklad pre ďalší vývoj v tíme Pneumotion. Práca je logicky členená a spĺňa stanovené ciele.Celkovo doporučujem k obhajobe so známkou B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Pre sval V7 navrhujete v závere pridať ochrannú membránu na udržanie maziva, ktoré zvyšuje vykonanú prácu o 54 %. Z akého materiálu by podľa vás mala byť táto membrána vyrobená, aby efektívne držala mazivo a zároveň negatívne neovplyvnila poddajnosť svalu?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová