MLP 기반 지폐 변형력 모델을 활용한 ATM 지폐 분리부 설계 인자 강건 최적화

Title
MLP 기반 지폐 변형력 모델을 활용한 ATM 지폐 분리부 설계 인자 강건 최적화
Other Titles
Robust Optimization of ATM Banknote Separation Mechanism Design Factors using MLP-based Banknote Deformation Force Model
Author
오혜빈
Alternative Author(s)
Hyebin Oh
Advisor(s)
민승재
Issue Date
2024. 2
Publisher
한양대학교 대학원
Degree
Master
Abstract
오버랩 마찰 분리 방식은 ATM(Automated Teller Machine)에서 지폐가 한 장씩 방출하는 기능을 실현하기 위해 일반적으로 사용되는 메커니즘으로 장치의 입구에 위치한 피드 롤러(feed roller)와 게이트 롤러(gate roller) 간 반경 방향으로 겹쳐진 양인 오버랩(overlap)을 조정하는 단순한 방법을 통해 다양한 국가의 지폐에 대응할 수 있는 특징을 가지고 있다. 그러나 설치 및 사용 환경으로 인해 제조 시 미소한 단위로 적절히 설정된 오버랩에 변화가 발생하면 분리 성능이 급격하게 저하되는 현상이 있어 이에 대한 대책이 필요하다. 본 논문에서는 ATM의 오버랩 마찰 분리 장치에 대하여 분리 성능의 최대 영향 인자인 오버랩의 변화로 인해 발생하는 장애 현상을 최소화하기 위한 방법으로 피드 롤러와 게이트 롤러의 겹쳐진 형상에 의해 발생하는 지폐 변형력이 오버랩 변화에 대해 민감하게 변하지 않도록 피드 롤러와 게이트 롤러의 최적 형상 치수를 찾아내는 것을 목표로 한다. 기존의 탄성 빔 모델링 기법 대비 지폐의 비선형적 특성을 반영하면서도 상대적으로 유한요소해석 대비 연산 시간을 적게 소모하는 다층 퍼셉트론(Multi-Layer Perceptron, MLP) 기법을 이용하여 지폐 변형력을 예측할 수 있는 대체모델을 생성한다. 지폐 변형력 대체 모델 이용하여 오버랩의 변화에 강건한 지폐 변형력을 발생시키는 최적화 문제를 정식화하고 최적화 알고리즘을 사용하여 최적 롤러 형상 치수를 도출하였다. 최적 치수들을 적용한 유한요소해석을 진행하여 지폐 변형력의 변화가 기존 형상 치수 대비 약 40% 저감됨을 확인하였다. 오버랩에 따른 지폐 변형력의 최소화가 지폐 분리 성능 개선으로 이어지는 지 확인하기 위해 분리 불량률을 계산하여 검증하였다. 불량률 계산에 필요한 마찰 계수, 탄성 계수와 같은 지폐 특성 값은 측정한 산포를 기반으로 하여 난수를 대량 생성하고, 이를 정상 분리 판정식에 대입하여 불량 여부를 가려내어 확률을 계산하였다. 그 결과 오버랩 변화 보증 구간에서 발생 예상 불량률을 누적한 값이 주로 거래하는 4개국의 지폐 특성에 따라 기존 대비 최소 22%에서 최대 60%까지 불량 저감 효과가 있음을 예상하였다.|The overlap-type friction banknote separation mechanism is commonly used in Automated Teller Machines (ATMs) to achieve the dispensing of banknotes one at a time. It involves adjusting the overlap between the feed roller and gate roller in the radial direction at the entrance of the mechanism. This simple method accommodates various currencies by adapting to the characteristics of banknotes from different countries. However, changes to the fine-tuned overlap due to environmental factors during installation and use can dramatically degrade separation performance, requiring countermeasures. This paper aims to minimize malfunctions caused by changes in the overlap, a critical factor affecting separation performance in ATM overlap-type friction banknote separation devices. The goal is to find optimal dimensions for the overlapped shapes of the feed roller and gate roller, ensuring that the deformation force caused by the shape change in the overlap is not overly sensitive to variations. Applying a multi-layer perceptron (MLP) technique, which consumes less computational time compared to traditional elastic beam modeling methods, the study creates a surrogate model that considers the nonlinear characteristics of banknotes. This alternative model predicts the deformation force, and an optimization problem is formulated to generate robust deformation forces against changes in the overlap. The differential evolution optimization algorithm is employed to derive the optimal roller dimensions. Applying these optimal dimensions in finite element analysis, the study confirms a reduction of approximately 40% in deformation force compared to conventional dimensions. To validate the improvement in banknote separation performance due to minimized deformation force caused by overlap changes, a separation defect rate is calculated. Parameters such as friction coefficients and elasticity coefficients are randomly generated based on measured distributions, and the defect probability is calculated by evaluating these values against the normal separation decision equation. The cumulative values of expected defect rates in the guaranteed overlap change range suggest a projected defect reduction effect ranging from a minimum of 22% to a maximum of 60%, depending on the characteristics of banknotes from four main countries.
URI
http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000725609https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/189103
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > AUTOMOTIVE ENGINEERING(미래자동차공학과) > Theses (Master)
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