Bachelor's Thesis

Knee Joint Exoskeleton Control Based on EMG Signals

Final Thesis 2.56 MB Appendix 3.36 MB

Author of thesis: Petr Frýba

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Vratislav Harabiš, Ph.D.

Reviewer: Ing. Martin Králík

Abstract:

Bachelor’s thesis deals with the design, implementation and verification of an assistive exoskeleton intended to reduce the energy demands of stair ascent for user with knee exarticulation utilizing the C-leg4 prosthetic joint. The thesis first introduces the issue of stair climbing for lower limb prosthesis user and the principles of surface electromyography sensing. The literature review maps current types of exoskeletons and their possible control methods. The practical part focuses on creating a model of an assistive exoskeleton utilizing a remote actuation concept with force transmission via a Bowden cable. The core of the thesis is the development of control software for the Raspberry Pi microcomputer, which processes surface electromyography (sEMG) from the forearm muscle in real-time. Experimental testing confirmed the high reliability of the detection algorithm, achieving an F1-Score of 96,65 %.

Keywords:

Exoskeleton, knee exarticulation, bionic knee, assisted stair ascent, surface electromyography (sEMG), gait assistive system

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Doc. Kolář se doptal na simulaci kroutícího momentu a vztahu ke hmotnosti osoby. Dále se doptal na problém s elektromotorem. Ing. Vitouš se doptal na technické kreslení. Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Kudrna, Ph.D. (předseda)
Ing. Markéta Jakubíčková, Ph.D. (místopředseda)
MUDr.Ing. Richard Ředina (člen)
Ing. Martin Králík (člen)
Ing. Jiří Vitouš (člen)
doc. Ing. Radim Kolář, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Vratislav Harabiš, Ph.D.

Student se ve své práci zabýval zpracováním EMG signálu z předloktí ruky za účelem ovládání exoskeletu kolenního kloubu. Student ke své práci přistupoval velice aktivně. Samostatně si našel spolupráci pro zapůjčení motoru vhodného pro pohon. Bohužel v motoru došlo k poruše, ne studentovou vinou, takže výsledek práce nemohl být otestován v reálných podmínkách. Výsledky navrženého systému student ověřil pomocí simulací a vyhodnocení zpracování signálů. Pro ovládání byly zvoleny spíše jednodušší principy, což bylo ale za účelem především spolehlivosti a bezpečnosti při použití exoskeletu. Návrh i výsledky práce jsou dostatečně ověřeny a diskutovány. Po formální stránce je práce na výborné úrovni. Obsahuje pouze drobnější chyby v nedodržování nedělitelných mezer mezi číselným údajem a jednotkou, některé překlepy v podobě malých/velkých písmen.
I přes tyto drobné výtky považuji zadání práce za zcela splněné a navrhuji hodnocení 92/A. Points proposed by supervisor: 92

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Martin Králík

Bakalářská práce se zabývá využitím sEMG signálů pro ovládání asistenčního exoskeletu určeného pro podporu chůze do schodů. Oceňuji zejména volbu tématu, které propojuje problematiku protetiky, biomechaniky a mechatroniky a svým rozsahem přesahuje běžné studentské konstrukční práce. Práce má přibližně 42 stran vlastního textu od úvodu po závěr a je podložena nadprůměrným množstvím použitých zdrojů, přičemž student čerpá jak z odborných publikací, tak z aktuálních vědeckých článků. Za silnější stránku práce považuji praktickou část, ve které student podrobně popisuje návrh a realizaci vlastního řešení. Jednotlivé kroky návrhu jsou doplněny vhodnými schématy, nákresy a obrázky, díky čemuž je postup práce dobře srozumitelný. Pozitivně hodnotím také snahu o experimentální ověření navrženého řešení. Testování bylo provedeno ve vhodné míře s ohledem na dostupné podmínky a omezení vyplývající z charakteru bakalářské práce.

Určité výhrady mám především k formální a částečně i teoretické stránce práce. Přestože teoretická část nabízí poměrně rozsáhlý přehled existujících systémů a přístupů, místy působí příliš textově a u popisovaných exoskeletů bych uvítal doplnění alespoň základní obrazové dokumentace, která by čtenáři usnadnila orientaci v jednotlivých konstrukčních řešeních. V práci se rovněž objevují obrázky ponechané v anglickém jazyce a některé převzaté obrázky vykazují nižší grafickou kvalitu, což zbytečně snižuje celkovou úroveň jinak kvalitně zpracované práce. Přes uvedené připomínky hodnotím předloženou bakalářskou práci jako nadprůměrnou a navrhuji hodnocení B, 85 bodů. Points proposed by reviewer: 85

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová