김화수 연구실
기계시스템공학과 김화수
김화수 연구실은 기계시스템공학을 기반으로 첨단 이동 로봇, 변형 바퀴 메커니즘, 외벽 등반 및 청소 로봇, 정밀 제어 시스템 등 다양한 분야에서 혁신적인 연구를 수행하고 있습니다. 연구실은 특히 복잡한 환경에서의 로봇 주행과 장애물 극복, 고층 건물 외벽 작업의 자동화 등 실질적인 산업 및 사회적 요구에 부합하는 기술 개발에 주력하고 있습니다.
변형 바퀴 및 장애물 극복 메커니즘 분야에서는 2자유도 변형 바퀴, 곡선형 트라이휠, 스포크 기반 바퀴 등 다양한 신개념 이동 플랫폼을 개발하여, 로봇이 계단이나 험지, 다양한 장애물을 능동적으로 극복할 수 있도록 하고 있습니다. 이러한 기술은 강화학습 등 인공지능 기반의 제어 알고리즘과 결합되어, 로봇이 스스로 환경을 인식하고 최적의 주행 전략을 선택할 수 있게 합니다.
외벽 등반 및 청소 로봇 분야에서는 로프 기반 등반 로봇, 곤돌라 탑재형 청소 로봇, 모듈형 매니퓰레이터 등 다양한 플랫폼을 설계 및 개발하였으며, 위치 추정, 진동 저감, 힘-위치 복합 제어 등 첨단 제어기술을 적용하여 실제 건물 환경에서의 신뢰성과 효율성을 높이고 있습니다. 또한, 오염도 측정 및 이미지 처리, 장애물 감지 및 회피 등 실용적인 기능도 적극적으로 연구하고 있습니다.
연구실은 이론적 연구와 더불어 실제 프로토타입 제작, 실험, 현장 테스트, 특허 출원 등 실용화 연구에도 많은 노력을 기울이고 있습니다. 다양한 국가 연구과제와 산업체 협력 프로젝트를 수행하며, 산업 현장과의 연계를 통해 기술의 실질적 적용 가능성을 높이고 있습니다.
앞으로도 김화수 연구실은 기계공학, 로봇공학, 제어공학의 융합을 바탕으로, 미래형 이동 로봇 및 자동화 시스템 개발을 선도하며, 스마트 시티, 건축물 유지관리, 재난 구조 등 다양한 분야에서 사회적 가치를 창출하는 연구를 지속할 계획입니다.
Rope-Riding Mobile Robots
Transformable Wheel Mechanisms
Facade Cleaning Robots
변형 바퀴 및 장애물 극복 로봇 메커니즘
변형 바퀴 및 장애물 극복 로봇 메커니즘은 기존의 고정된 바퀴 구조에서 벗어나, 다양한 지형과 장애물을 효과적으로 극복할 수 있도록 설계된 혁신적인 이동 플랫폼 기술입니다. 본 연구실에서는 2자유도(2-DOF) 변형 바퀴, 곡선형 트라이휠, 스포크 기반 바퀴 등 다양한 형태의 변형 바퀴를 개발하여, 로봇이 계단, 턱, 울퉁불퉁한 지면 등 복잡한 환경에서도 안정적으로 주행할 수 있도록 하고 있습니다. 이러한 메커니즘은 바퀴의 반경이나 형태를 실시간으로 조절하여, 장애물의 크기와 형태에 맞게 적응할 수 있는 것이 특징입니다.
연구실은 변형 바퀴의 기구학적 설계, 동역학 해석, 최적화 설계 및 실제 프로토타입 제작과 실험을 통해 이론과 실무를 아우르는 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 다양한 장애물 극복 시나리오에 대한 실험적 검증을 통해, 기존 이동 로봇 대비 월등한 성능을 입증하고 있습니다. 또한, 강화학습 등 인공지능 기반의 주행 전략을 접목하여, 로봇이 스스로 환경을 인식하고 최적의 바퀴 변형 및 주행 경로를 결정할 수 있도록 연구를 확장하고 있습니다.
이러한 변형 바퀴 및 장애물 극복 메커니즘은 건물 외벽 청소, 재난 구조, 서비스 로봇 등 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있으며, 미래의 스마트 모빌리티 및 로봇 산업에 큰 파급 효과를 가져올 것으로 기대됩니다. 앞으로도 본 연구실은 새로운 메커니즘 개발과 제어 알고리즘 고도화를 통해, 더욱 복잡한 환경에서도 자율적으로 임무를 수행할 수 있는 차세대 이동 로봇 기술을 선도할 계획입니다.
외벽 등반 및 청소 로봇의 설계와 제어
외벽 등반 및 청소 로봇 분야는 고층 건물의 외벽 유지관리, 청소, 점검 등 위험하고 반복적인 작업을 자동화하기 위한 핵심 기술입니다. 본 연구실은 로프 기반 등반 로봇, 곤돌라 탑재형 청소 로봇, 다자유도 매니퓰레이터 등 다양한 외벽 작업용 로봇 플랫폼을 개발해왔습니다. 특히, 로프 등강기, 차동기어, 다중 와인딩 윈치 등 독창적인 등반 메커니즘을 통해, 로봇이 고층 건물 외벽을 안전하고 정밀하게 이동할 수 있도록 하였습니다.
이와 함께, 외벽 청소를 위한 모듈형 매니퓰레이터, 임피던스 제어 기반의 정밀 청소 모듈, 오염도 측정 및 이미지 처리 기술 등도 활발히 연구되고 있습니다. 로봇의 위치 추정, 장애물 감지 및 회피, 진동 저감, 힘-위치 복합 제어 등 첨단 제어기술을 접목하여, 실제 건물 환경에서의 신뢰성과 효율성을 극대화하고 있습니다. 또한, 실험실 수준의 성능 검증을 넘어, 실제 고층 건물에서의 현장 테스트와 특허 출원 등 실용화 연구도 적극적으로 추진하고 있습니다.
외벽 등반 및 청소 로봇 기술은 인력 부족, 안전 문제, 비용 절감 등 사회적 요구에 부응하는 미래형 솔루션으로 주목받고 있습니다. 본 연구실은 지속적인 기술 개발과 현장 적용을 통해, 스마트 시티 및 건축물 유지관리 분야의 혁신을 이끌고 있습니다.
1
Rope on Rope: Reducing Residual Vibrations in Rope-Based Anchoring System and Rope-Driven Facade Operation Robot
이강엽, 안사훈, 양정모, 서태원, 김화수
SENSORS, 202504
2
Two-DoF turret mechanism for a rope-driven wheel-legged climbing robot on a 3D facade
김화수, 안사훈, 현동근, 문예철, 이종명, 서태원
MEASUREMENT, 202501
3
Motion Planning for 2-DOF Transformable Wheel Robots Using Reinforcement Learning
김화수, 박인하, 류시준, 원지호, 윤현규, 김상균, 서태원
IEEE Robotics and Automation Letters, 202411
1
AI기반 장애물 인식 및 회피, 극복이 가능한 메커니즘 설계 및 제어 기술
2
다형상 바퀴 기반 로봇 플랫폼 최적 설계와 장애물 극복 성능 향상을 위한 제어기법 연구