Master's Thesis

Design and implementation of a drive unit for a limb joint of a walking robot

Final Thesis 4.95 MB

Author of thesis: Bc. Petr Pluskal

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Stanislav Věchet, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Králík, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis deals with the design and implementation of a drive unit and a fully functional prototype of a walking robot limb. The introduction analyzes the requirements for the joints of dynamic robotic systems, emphasizing high torque, compactness, and mechanical compliance. Therefore, the modern concept of Quasi-Direct Drive (QDD) actuators was utilized for the implementation. Within the scope of the thesis, brushless (BLDC) motors Eagle Power and Steady Win were selected, compared, and tested in combination with the ODrive S1 controller. To facilitate the parameterization and calibration of the FOC control, a custom graphical user interface (GUI) was developed in Python. The practical output of the thesis is a robotic limb with three degrees of freedom, manufactured using 3D printing (PETG material), and driven by HTD 5M timing belts with implemented linear tensioners. Feedback and control via the CAN bus are provided by an ESP32 microcontroller and AS5600 absolute magnetic encoders. Forward and inverse kinematics in a 2D plane were successfully tested on the prototype. Final experimentation demonstrated the functionality of the system but also revealed the hardware limits of the shoulder motor during dynamic loading and manipulation with a 1.5 kg payload. The thesis thus forms a reliable foundation for the further development of modular robotic platforms.

Keywords:

Walking robot, BLDC motor, QDD actuator, CAN communication, 3D printing.

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji diplomovou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky: Jaké jsou požadavky na zátěžný moment? Jaké snímače polohy byly použity? Dělal jste i nějaké pevnostní výpočty? Jaký má vliv převodovka na moment setrvačnosti? Obhajoba byla komisí hodnocena jako velmi dobrá.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (N-MET-P)

Composition of Committee

RNDr. Vladimír Opluštil (předseda)
doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D. (člen)
Ing. Dalibor Červinka, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
Ing. Peter Zavadinka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. David Fojtík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Stanislav Věchet, Ph.D.

Diplomová práce se věnuje tématu vývoje pohonné jednotky pro kráčející robotické systémy. Jedná se o komplexní mechatronický projekt, který v sobě úspěšně kombinuje oblasti mechanického návrhu, pohonů, vestavěného řízení a komunikačních protokolů.

Student k řešení úkolu přistupoval systematicky. Velmi oceňuji zejména praktickou část věnovanou oživení pohonů několika typů a ověřování jejich parametrů na vlastním měřicím stanovišti.

Studen provedl mimořádně rozsáhlou praktickou část věnovanou oživení celé horní končetiny pro humanoidního robota a práce bude sloužit jako základ pro další vývoj humanoidních robotů v laboratoři. Oceňuji táke vysokou míru samostatnosti během zpracování tématu.

Student prokázal schopnost samostatné tvůrčí inženýrské práce a realizoval plně funkční subsystém robotické končetiny.

Práci jednoznačně doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení A (výborně).
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jan Králík, Ph.D.

Pan Pluskal se ve své práci zabývá návrhem a realizací pohonné jednotky pro kloub končetiny chodícího robotu. Jedná se o komplexní mechatronickou úlohu zahrnující konstrukční návrh, volbu pohonů na základě analyzovaných požadavků, návrh řízení a následné ověření funkčnosti celé robotické končetiny.

V úvodní části práce student definuje požadavky na pohon vyplývající z předpokládaného způsobu použití a konstrukčního řešení. V následujících kapitolách se věnuje rešerši v oblasti převodů, pohonů a jejich řízení. Kapitola věnovaná výběru a testování pohonů však obsahuje pouze představení zvolených variant bez širšího porovnání s alternativními řešeními. V závěrečných částech práce se student zabývá konstrukcí končetiny, komunikací mezi pohony a řídicí jednotkou a experimentálním ověřením funkčnosti. K testování lze vznést drobnou připomínku, konkrétně absenci porovnání skutečného pohybu s požadovaným průběhem.

Práce je nadstandardně rozsáhlá (přes 90 stran textu a více než 100 položek v obsahu), což místy ztěžuje orientaci, nicméně po technické i formální stránce je na velmi vysoké úrovni. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení A, tedy výborně.
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 A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Na Obr 8.4 máte zobrazeno, jak podmínka pro nezávislost pohybu pohonů ovlivňuje pracovní prostor, Lze to nějak řešit?
  2. Pro výpočet velikosti momentu z odebíraného proudu užíváte vzorec 5.6, za jakých podmínek platí?
  3. Lze jednoduše navýšit moment na ramenním kloubu pomocí převodovky (třeba planetové, nebo cykloidní)? Jak by to ovlivnilo parametry končetiny?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová