Bachelor's Thesis

Design of a device to clamp an animal's hip in a biotribological simulator

Final Thesis 4.16 MB Appendix 7.91 MB

Author of thesis: Marek Ries

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Pavel Čípek, Ph.D.

Reviewer: Ing. David Rebenda, Ph.D.

Abstract:

To experimentally observe the behaviour of a porcine hip joint in a biotribological simulator,
it is necessary to ensure reliable clamping of the femur and acetabulum. Due to the atypical
geometry of biological specimens, standard clamping elements designed for conventional
machine components cannot be used. This bachelor’s thesis deals with the design of a fixture
for clamping an animal hip into a biotribological pendulum simulator used in the laboratories
of VUT FSI.
The literature review section summarizes the initial biomechanical and tribological issues,
along with the properties of the hip joint and the requirements arising from experimental
measurements. Concepts utilizing predefined parameters from research also serve as a basic
model for further use in the conceptual design. The most suitable design solution is further
developed. The design is therefore implemented in a simulator, which requires rapid sample
exchange while maintaining the ability for samples to rotate and position.
The result of the thesis is a design proposal for two interconnected subassemblies 
for securing the femur and acetabulum. The functionality of the selected mechanical
structure is verified by calculation. The design is further converted into a prototype
manufactured using additive manufacturing technology. The proposed solution forms 
the basis for experimental measurements on animal joints and for the further development 
of biotribological testing methodology.

Keywords:

hip joint, mounting, clamping, simulator, femur, acetabulum, additive manufacturing

Date of defence

12.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentoval výsledky své bakalářské práce a zodpověděl otázky oponenta. Při experimentech na simulátoru je kontakt hlavice a acetabula mazán synoviální kapalinou. Jak je v navržené konstrukci řešeno zadržení maziva v acetabulu, jeho případný únik a následné čištění jednotlivých dílů? - zodpovězeno prof.Vrbka - Jakým způsobem dodržíte fyziologickou polohu? Zda se dostanu kontaktem do fyziologické polohy? - zodpovězeno Doc.Galas - Nezvažoval jste jednodušší koncept upínání? - zodpovězeno Jakou funkci má vyložená konzola? - zodpovězeno Ing.Kvarda - Řešil jste upínací sílu na kost? - 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

prof. Ing. Martin Vrbka, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Radovan Galas, Ph.D. (místopředseda)
Ing. František Vlašic, Ph.D. (člen)
Ing. Daniel Kvarda, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Vaverka, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Pavel Čípek, Ph.D.

Bakalářská práce se věnuje konstrukci přípravku pro upnutí zvířecí kyčle do biotribologického simulátoru. Práce je zaměřena na návrh upnutí femuru a acetabula s ohledem na nepravidelnou geometrii biologických vzorků, možnost jejich ustavení a následné využití při tribologickém testování. Výstupem práce je konstrukční návrh přípravku doplněný o 3D tištěný prototyp a výpočtové přílohy vybraných konstrukčních uzlů. Rešeršní část se zabývá biomechanikou kyčelního kloubu, biotribologií, biotribologickými simulátory a aditivní výrobou. Na základě rešerše autor stanovuje hlavní požadavky na přípravek a dále rozpracovává několik koncepčních variant řešení. Konečný návrh je zpracován jako soustava pro upnutí femuru a acetabula, přičemž je kladen důraz na možnost natočení vzorků, jejich rychlou výměnu a návaznost na stávající konstrukci simulátoru. Součástí práce jsou také kontrolní výpočty, které dokládají základní ověření navržených spojů a upínacích míst. Prototyp byl vyroben pomocí 3D tisku a ověřen z hlediska montáže, návaznosti na simulátor a základní funkčnosti při zkušebním použití. Student byl během řešení aktivní, pravidelně se sám hlásil na konzultace a práci průběžně řešil. Slabší stránkou práce je především textová část, která je místy méně přesná, stylisticky nevyrovnaná a obsahuje formulační nedostatky. Za formální nedostatek práce považuji skutečnost, že provedené experimentální ověření prototypu na simulátoru není v průvodní zprávě dostatečně popsáno a vyhodnoceno, ačkoliv bylo v rámci řešení práce realizováno a bude studentem prezentováno při obhajobě. Přes uvedené nedostatky považuji konstrukční návrh za smysluplný a použitelný jako základ pro další vývoj přípravku. Celková úroveň práce odpovídá požadavkům kladeným na bakalářskou práci. Práci proto doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. David Rebenda, Ph.D.

Předložená bakalářská práce se zabývá konstrukčním návrhem přípravku pro upnutí prasečí femorální hlavice a acetabulární jamky do biotribologického simulátoru. Rozsáhlá rešeršní část práce, popisující mimo jiné základy biomechaniky kyčle, tribologie a 3D tisku, bohužel obsahuje velké množství „výplňového“ textu, který s hlavním cílem souvisí jen okrajově. Naopak dílčí cíl práce - prostudovat možnosti konstrukce upínacích přípravků – autor zpracovává pouze okrajově. Tento nedostatek se promítá i do analýzy problému, která postrádá kritický rozbor řešení upínacích přípravků či definici požadavků na navrhovaný držák. Kapitola koncepční řešení představuje tři varianty návrhů držáku femuru a šest variant uchycení acetabula včetně základního popisu jejich výhod a nevýhod. Zde bych uvítal lepší zdůvodnění, proč byly pro finální rozpracovaní vybrány právě zvolené varianty návrhů. Konstrukční řešení rozpracovává zvolenou variantu držáku femuru a acetabula. Zde se mi nezdá jako nejvhodnější varianta upnutí femuru a acetabula pomocí tlumicí vrstvy (VVA) a rovněž volba materiálů některých součástí. Funkčnost držáku byla ověřena v simulátoru pomocí aditivně vyrobeného prototypu. Při ověření však nebyly použity reálné prasečí kosti, ale pouze tvarově zjednodušené náhražky vyrobené pomocí 3D tisku. V práci navíc zcela chybí experimentální ověření funkčnosti pomocí měření tření na simulátoru, což bylo jedním z hlavních cílů bakalářské práce. Celkový dojem z práce snižuje i její nízká jazyková úroveň. Text obsahuje řadu vět a odstavců, které obsahují překlepy a jsou stylisticky těžce srozumitelné. I přes uvedené nedostatky je nutné vzít v úvahu, že se jedná pouze o prvotní koncept držáku. Kladně hodnotím i podložení vybraných částí návrhu pevnostními výpočty. Práce splňuje formální náležitosti kladené na bakalářskou práci, a proto ji doporučuji k obhajobě s hodnocením C.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis D
Práce s literaturou včetně citací C
Topics for thesis defence:
  1. Při experimentech na simulátoru je kontakt hlavice a acetabula mazán synoviální kapalinou. Jak je v navržené konstrukci řešeno zadržení maziva v acetabulu, jeho případný únik a následné čištění jednotlivých dílů?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová