Bachelor's Thesis

Design and implementation of a device for mechanical control of a piano pedal

Final Thesis 12.72 MB Appendix 2.42 MB

Author of thesis: Bc. Jiří Král

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Appel, Ph.D.

Reviewer: Ing. Ondřej Mikulenka

Abstract:

The bachelor thesis deals with the design and implementation of a device for the mechanical control of a piano pedal by individuals with limited lower limb mobility. The research part focuses on existing solutions for musicians with physical disabilities. The practical part addresses the design of the drive mechanism, mechanical structure, printed circuit board, and control algorithm of the new device. An important component of the practical part is also the design of a compensation element in the form of torsion springs. The final part of the thesis is the experimental verification of the functional prototype and proposals for its future improvement.

Keywords:

assistive device, piano pedal, feedforward control, PI controller, DC motor, physical disability

Date of defence

11.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji bakalářskou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky: Kde jsou umístěny kompenzační pružiny? Jak je prováděna kalibrace zařízení s ohledem na odlišnost pedálů různých klavírů? Jakým způsobem je kalibrace prováděna? Jaká je celková hmotnost výsledného zařízení a jak je zajištěna výšková stavitelnost mechanismu? Jakým způsobem je řešeno ošetření mezního stavu při nesprávném nastavení rozsahu pedálu? Jakým způsobem byla nastavena tuhost pružin ve feedforward. Byl testován rozdíl v hraní při použití zařízení oproti klasickému ovládání klavírního pedálu? Na závěr byla obhajoba hodnocena jako velmi dobrá.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (B-MET-P)

Composition of Committee

Pplk. Ing. Radek Doskočil, Ph.D. (předseda)
Ing. Martin Appel, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Radek Vlach, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Pokorný, Ph.D. (člen)
Ing. Lubomír Houfek, Ph.D. (člen)
Ing. David Vlachý (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Frolík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Appel, Ph.D.

Bakalářská práce studenta Jiřího Krále se věnuje návrhu a realizaci zařízení pro mechanické ovládání sustain pedálu akustického klavíru pro osoby s omezenou hybností dolních končetin. Téma má výrazný praktický přesah, protože vychází z konkrétní potřeby uživatelky a navazuje na předchozí zařízení ovládané náklonem hlavy.

Velmi kladně hodnotím, že student k návrhu přistoupil technicky poctivě. Neomezil se pouze na konstrukční návrh, ale nejprve změřil reálný průběh síly a pohybu pedálu. Na základě těchto dat navrhl pohon, mechanickou konstrukci s hliníkovými díly, torzními pružinami pro kompenzaci síly pedálu, vlastní DPS a řídicí algoritmus kombinující dopřednou vazbu a PI regulaci.

Silnou stránkou práce je, že výsledkem je funkční prototyp, který byl skutečně vyzkoušen při hře na klavír. Zařízení dosahuje plynulého chodu a po krátkém nácviku bylo možné jej prakticky použít. Oceňuji také to, že student otevřeně popsal limity prototypu, zejména hlučnost převodovky, citlivou kalibraci a potřebu doplnit bezpečnější ochranu motoru.

K práci mám pouze dílčí výhrady, které spíše ukazují směr dalšího vývoje. Pro praktické nasazení bude nutné snížit hlučnost pohonu, zjednodušit kalibraci pro běžného uživatele a dořešit spolehlivost návazné snímací jednotky. U grafů 4.2, 4.3 a 4.4 bych ocenil lepší čitelnost, doplnění legendy a přesnější popis barev čar v textu. Tyto nedostatky však nepovažuji za zásadní problém bakalářské práce, protože student vytvořil funkční a velmi smysluplný základ zařízení.

Celkově hodnotím práci jako velmi zdařilou bakalářskou práci s výrazným vlastním přínosem. Student prokázal schopnost propojit mechaniku, elektroniku a regulaci do reálného asistivního zařízení. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Ondřej Mikulenka

Bakalářská práce se zabývá návrhem a realizací mechatronického asistenčního zařízení pro ovládání sustain pedálu akustického klavíru osobami s omezenou hybností dolních končetin.

V rešeršní části student přehledně mapuje existující řešení a věcně zdůvodňuje potřebu spojitého řízení. Praktická část pokrývá návrh mechanické konstrukce s torzními pružinami jako kompenzačním prvkem, vlastní desku plošných spojů s mikrokontrolérem a řídicí algoritmus kombinující dopřednou vazbu s PI regulátorem. Tady považuji za neobvyklé a možná i mírně nelogické vypínat PI regulátor, pokud je regulační odchylka v rámci pásma necitlivosti.

Experimentální testování potvrdilo sledování žádané polohy. Zde v práci považuji za nešťastné zobrazení grafů, kterým chybí osy a je obtížné na nich vidět samotné průběhy. Hlavními limity prototypu jsou akustický hluk planetové převodovky a náročnost kalibrace.

Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení B (velmi dobře).
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Jak by vypadala odezva systému, pokud by nebyl použit PI regulátor, ale pouze dopředná vazba?
  2. V práci zmiňujete použití torzních pružin jako kompenzaci pružiny nacházející se v klavíru. Jak se tedy změnila z pohledu motoru zatěžovací charakteristika?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová