Master's Thesis

Design of SCARA robot

Final Thesis 5.32 MB

Author of thesis: Bc. Martin Kulda

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Vetiška, Ph.D.

Reviewer: Ing. Vojtěch Štěpánek, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the design and development of a SCARA-type robotic manipulator intended for automated operations. The theoretical part summarizes the principles of kinematics and dynamics of robotic manipulators, with a focus on the SCARA structure. Based on the specified parameters, several variants of the kinematic configuration were proposed and evaluated using dynamic simulations and structural analysis. The best variant was further developed into two design concepts and experimentally verified. Based on the results of these tests, a final design was developed and implemented, and its properties were evaluated in terms of accuracy and repeatability. The thesis also includes the design of a control system and a user interface. The result is a functional prototype that fulfils the specified requirements for dynamics, accuracy, and stiffness.

Keywords:

SCARA manipulator, robot, kinematic analysis, automation

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Prezentace: - Motivace a cíle práce - Kinematika a použití - Zjištění ideální délky ramen - Návrhy konstrukčního řešení - Realizace 1. konstrukčního řešení - Závěry z testování 1. řešení - Realizace 2. konstrukčního řešení - Závěry z testování 2. řešení - Realizace finálního řešení - Testování opakovatelnosti - Řízení a uživatelské rozhraní - Závěr Student seznámil členy komise s výsledky své práce a odpověděl na otázky oponenta. Otázky členů komise: - Šlo by předepnout použitá ložiska? Zodpovězeno. - Co konkrétně bylo simulováno v MSC Adams? Zodpovězeno. - Jak počítáte kroutící moment motoru? Jaké je největší dosažené zrychlení? Zodpovězeno. - Proč není opakovatelnost rozložena symetricky? Zodpovězeno. - Jak zjišťovat jestli je semínko opravdu umístěno na požadované místo? Zodpovězeno. - Jaká je motivace pro práci? Zodpovězeno. Student bez problémů odpověděl na otázky komise.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Production Machines, Systems and Robots (N-VSR-P)

Composition of Committee

Ing. Tomáš Marek, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Vetiška, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Vlček (člen)
doc. Ing., Dipl.-Ing Michal Holub, Ph.D., FEng. (předseda)
Ing. Rostislav Huzlík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Kolář, Ph.D. (místopředseda)

Supervisor’s report
Ing. Jan Vetiška, Ph.D.

Student zpracoval diplomovou práci na téma „Návrh SCARA robotu“, která je zaměřena na návrh a konstrukci robotického manipulátoru. Při zpracování diplomové práce pracoval samostatně a k řešení přistupoval systematicky a aktivně. Během zpracování pravidelně konzultoval postup s vedoucím práce a byl schopen jednotlivé připomínky průběžně zapracovávat. Tento přístup se pozitivně projevil nejen na kvalitě samotného návrhu, ale také na postupném zpřesňování technického řešení a odstraňování dílčích nedostatků v jednotlivých fázích práce.

Zpracování práce působí uceleným dojmem a jednotlivé kapitoly na sebe logicky navazují. Autor prokazuje schopnost orientace v dané problematice i schopnost aplikovat získané poznatky při řešení konkrétního technického úkolu. Zvláště přínosné je zpracování konstrukční části včetně ověření funkčnosti navrženého řešení, které dokládá praktickou využitelnost práce.

Grafická, stylistická a jazyková úroveň práce je velmi dobrá. Text je přehledně strukturovaný, terminologicky správný a vhodně doplněný obrázky, schématy a dalšími prvky, které přispívají k lepší srozumitelnosti a přehlednosti celého dokumentu.

Na základě výše uvedeného lze konstatovat, že student splnil zadání diplomové práce v plném rozsahu a prokázal schopnost samostatného řešení technického problému na odpovídající úrovni.

Práci doporučuji k obhajobě.
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 B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce se věnuje iteračnímu návrhu manipulátoru, který využívá paralelní kinematiku SCARA. Celý návrh vychází z konkrétního požadavku na velikost pracovního prostoru a dosahovanou absolutní přesnost manipulátoru. Rešeršní část je věnována historii a teorii řízení víceosých manipulátorů. I naprostý lajk porozumí uvedeným základům. V praktické části pozitivně hodnotím autorovu rozvahu, jak konfigurace ramen ovlivňuje tuhost celého mechanismu. V rámci konstrukčního řešení autor používá moderní technologie 3D tisku. Výsledná konstrukce na první pohled vypadá jako topologická optimalizace, očekával bych však, že konstrukční návrh bude více respektovat výsledné vnitřní účinky a rameno bude více pracovat například s proměnlivým kvardratickým momentem průřezu. Jako nedostatečné hodnotím řešení uložení rotačních spojů, které z mého pohledu nerespektují zásady uložení a zatížení ložisek. V první iteraci je značným ohybovým momentem namáhána samotná hřídel motoru. Z hlediska konstrukce také vidím rozpor v možnosti "přejet" přes singulární bod. Tato varianta teoreticky možná je. Prakticky je však každá konstrukce vyrobena s rozměrovou tolerancí, která se v singulárním bodě promítne do zvýšeného zatížení. Obrázek 5.8 z měření přesnosti také naznačuje, že vložením nástroje do koncového efektoru nebude přejezd fyzicky možný. V práci je uvedena analýza v Ansys Workbench. Popis této analýzy je však strohý a výsledky je velmi těžké intepretovat. Oceňuji výrobu fyzického prototypu, který odhalil konstrukční nedostatky prvních iterací. Celkově práci hodnotím dobře (C). 
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Jakým způsobem bude probíhat výpočet goniometrických funkcí v singulárním bodě, kdy dojde k zarovnání všech bodů do jedné přímky? Jaký extrém při výpočtech nastane?
  2. Jak by alespoň schématicky vypadaly průřezy ramen, pokud by měl konstrukční návrh dodržet požadavek na stejné napětí v celém objemu ramen (tj. vyšší výsledné vnitřní účnky, větší průřez)?
  3. V původním návrhu je využit pro řízení Adruino shield v kombinaci s krokovými motory. Jaké jsou dostupné možnosti průmyslového řízení, pokud by měl být prototyp překlopen do průmyslového provedení?
  4. Jak by vypadala konstrukce uzlu připojení vnitřního ramene k základně z obrázku "Obr. 5-4 Uložení prvního ramene na základnu - finální řešení", pokud by pro konstrukci bylo zvoleno uložení s kuličkovými ložisky s kosoúhlým stykem?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová