Bachelor's Thesis

Manipulator control for the Brno Mars Rover student team competition tasks

Final Thesis 15.02 MB Appendix 9.59 MB

Author of thesis: Jan Drochýtek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Stanislav Svědiroh

Reviewer: Ing. Miloš Cihlář

Abstract:

The goal of this thesis is modification of a robotic manipulator, which is mounted on a
competition rover of the Brno Mars Rover student team, for more effective fufillment of
competition tasks of the European Rover Challenge competition. Mathematical descrip-
tion of the kinematic structure is made in URDF format for efficient integration into
ROS2 environment. Furthermore, the thesis covers analysis of present motor drivers
and comparison with alternatives. The next part covers analysis of methods for mea-
suring absolute angle and communication interfaces of sensors. Based on this analysis a
magnetic encoder was chosen as the desired method and a comparison of three possible
modules is made. Due to requirements the option of creating a custom PCB is chosen.
The function of the created PCB is tested and integration into the manipulator follows.
The thesis ends with modifications to the control software that extends the capabilities,
adding velocity inverse kinematics and control of the end effector and movement to
predefined poses

Keywords:

Manipulator, kinematics, absolute positional feedback, ERC, magnetic absolute encoder,
URDF, ROS2, AS5600L

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student obhájil bakalářskou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy student reagoval na dotazy oponenta. Dále zodpověděl dotazy týkající se rozdílu v rozlišení použitých čipů a jejich vlastností, způsobu realizace regulace u poziční zpětné vazby, řešení přímé úlohy kinematiky a dosažitelnosti všech poloh.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

prof. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. (předseda)
prof. Ing. Luděk Žalud, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Martin Čala, Ph.D. (člen)
Ing. Jakub Dokoupil, Ph.D. (člen)
Ing. Adam Chromý, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Jirgl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Stanislav Svědiroh

Zadání bakalářské práce hodnotím jako středně obtížné. Meritorní část práce spočívala v navázání na aktuální hardwarový a softwarový stav robotického manipulátoru, který byl v předchozím roce kompletně navržen a sestrojen studenty, a v rozšíření tohoto řešení o vhodně zvolenou absolutní zpětnou vazbu spolu s dalším zefektivněním softwarového řešení pro účely mezinárodní studentské soutěže European Rover Challenge.

Student, který se studentským spolkem spolupracuje delší dobu, měl výhodu osobní zkušenosti se zmíněnou soutěží, a tedy i dobrou představu o jejích praktických požadavcích.

Zadání bakalářské práce bylo splněno v rozsahu odpovídajícím praktickému zaměření práce. Práce je logicky členěna a čtenáře nejprve seznamuje s využitím robotického manipulátoru v rámci soutěže, dále s jeho aktuálním stavem a následně i s jeho popisem. Ten je však ve výsledku spíše formálním kinematickým modelem než plnohodnotným matematickým popisem s explicitními hodnotami pro daný manipulátor. To považuji za určitou slabinu, nikoliv však za nedostatek natolik zásadní, aby významně snižoval celkovou úroveň práce.

Po formální stránce je práce zdařilá a logicky strukturovaná. V některých částech by však bylo vhodné podložit přijatá rozhodnutí větším množstvím dat či měření; například test vlivu délky přívodních kabelů na komunikaci I2C je shrnut pouze konstatováním, že komunikace funguje i při délce 1,5 m.

Pozitivně hodnotím, že student navrhl vlastní DPS, připravil ji k výrobě a následně ji také osadil a oživil přímo na manipulátoru.

Při integraci nových zpětných vazeb a jejich následném testování student opět prokázal spíše praktický přístup, aniž by finální řešení doplnil o podrobnější kvantifikaci přesnosti, opakovatelnosti či dalších parametrů. Právě tato absence důkladnějšího vyhodnocení se prací prolíná jako její slabší stránka.

Student v průběhu semestru pravidelně sdílel a konzultoval stav práce po hardwarové stránce, samotnému textu se však začal věnovat až v závěru semestru, což se mohlo projevit i v menším prostoru pro důkladnější experimentální ověření výsledného řešení.

Svým rozsahem 39 stran od úvodu po závěr se práce pohybuje v běžném průměru pro bakalářskou práci.

Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení 82 bodů, tedy stupněm B. Points proposed by supervisor: 82

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Miloš Cihlář

Bakalářská práce Jana Drochýtka se zabývá úpravou robotického manipulátoru týmu Brno Mars Rover. Zadání hodnotím jako středně obtížné. Vyžaduje kombinaci hardwarového návrhu, softwarové integrace a práce v robotickém frameworku ROS 2 pro integraci se zbytkem robota.

Práce je přehledně členěna do pěti kapitol na 40 stranách od úvodu po závěr. V textu a seznamu zkratek se objevuje menší množství překlepů. Student v práci cituje celkem 33 zdrojů, převážně internetové zdroje, datasheety a GitHub repozitáře. Práce necituje žádné odborné časopisecké publikace, charakter práce to však do značné míry ospravedlňuje. Závažnějším nedostatkem je bibliografická chyba v položkách 23, 24 a 25, které přes různé názvy odkazují na identickou URL adresu.

V první kapitole student popisuje kinematickou strukturu manipulátoru a zavádí potřebnou teorii včetně Denavit-Hartenbergovy konvence a formátu URDF. Formát URDF byl zvolen jako matematický popis manipulátoru namísto standardní tabulky DH parametrů a homogenních transformačních matic. URDF je sice plně funkční pro integraci do ROS 2 a je v práci dále využit, avšak nepředstavuje matematický popis v tradičním akademickém smyslu. Přesto hodnotím tento bod jako splněný.

Ve druhé a třetí kapitole student popisuje současné drivery krokových motorů a magnetické enkodéry. Student neprovádí systematické porovnání těchto možností z hlediska jejich použitelnosti v konkrétním systému, pouze je popisuje. Navzdory tomu považuji výběr magnetického enkodéru ve čtvrté kapitole za dostatečně zdůvodněný vlastnostmi aplikace.

Čtvrtá kapitola představuje stěžejní přínos práce. Student navrhl vlastní desku plošných spojů s čipem AS5600L, vytiskl montážní díly na 3D tiskárně a integroval absolutní poziční zpětnou vazbu do všech kloubů manipulátoru. Velmi pozitivně hodnotím, že navržená deska plošných spojů byla adoptována dalšími členy týmu pro jiný subsystém roveru. Stejně tak je vytvořený software použitelný se zbytkem systému, případně i na jiný manipulátor. Slabší stránkou práce je nedostatečná kvantitativní validace. Tvrzení o stabilitě I2C komunikace v blízkosti motorů a o funkčnosti enkodérů jsou podložena pouze vizuálním pozorováním bez naměřených dat. Výběr čipu AS5600L oproti alternativě AS5048B s vyšším rozlišením student explicitně neodůvodňuje, přestože z tabulky 4.1 plyne, že AS5048B rovněž podporuje změnu I2C adresy a nabízí 14bitové rozlišení oproti 12 bitům zvoleného čipu.
Poslední kapitola se věnuje návrhu ovládacího softwaru s cílem zjednodušit teleoperaci robotického ramene. Díky integraci zpětné vazby může být manipulátor ovládán pomocí rychlostní inverzní kinematiky namísto ovládání v kloubových souřadnicích. Student integroval několik režimů ovládání na gamepad používaný v řídicím softwaru celého robotického systému. Dále umožňuje nadefinovat několik předem určených pozic, do kterých se manipulátor automaticky přesune, čímž významně zrychlí ovládání při plnění soutěžních úloh.
Všechny body zadání byly splněny. Práce svědčí o bakalářských schopnostech studenta. Celkové hodnocení C / 70 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Jaký byl hlavní důvod výběru AS5600L oproti AS5048B, které má vyšší rozlišení a také podporuje změnu I2C adresy?
  2. Na straně 36 uvádíte, že „byly vyzkoušeny různé konfigurace nastavení filtrace signálu" a že „mezi nimi nebyl pozorován rozdíl". Co je tím myšleno a jak probíhalo vyhodnocení?
Points proposed by reviewer: 70

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová