Week 02 · Literature Review

老人跌倒偵測
緊急通報機器人

Elder Fall Detection & Emergency Alert Robot
第二週報告
文獻探討 / 技術比較 / 路線圖
1144638    張詠荃
1144663    傅宣文
AGENDA · 02 / 19

本次報告
四個章節

Outline of This Talk
01

近五年關鍵文獻回顧

  • CNN/LSTM 跌倒偵測論文
  • Transformer 姿態估計
  • 機器人跟隨演算法
  • 產業代表案例
02

三大技術方向
優劣分析

  • 穿戴式感測器
  • 固定式環境感測
  • 視覺 AI 偵測系統
03

本方案差異性說明

  • 技術突破點對照
  • 本研究定位地圖
  • 創新貢獻總結
04

研究方法路線圖

  • 技術選型依據
  • 開發時程規劃
  • 預期成果
Part 0101

近五年關鍵文獻
回顧

Key Literature Review · 2020 — 2025
1.1 · DEEP LEARNING FALL DETECTION
深度學習跌倒偵測 — 關鍵論文

深度學習跌倒偵測
關鍵論文回顧

最高準確率
97.3%
Chen 2023
Graph CNN + 多攝影機融合
UR-Fall & FDD 資料集
主流架構
CNN+LSTM
主流組合
空間特徵 × 時序建模
排除蹲下/彎腰誤判
即時判斷
<0.5s
目標時間
邊緣端推論延遲
本研究目標上限
誤報率
5% ↓
目標上限
大幅低於穿戴方案
(業界 8–20%)
Chen et al. (2023) · IEEE Trans. Neural Syst. Rehab. Eng.
Graph CNN + 多攝影機融合。建立骨架拓撲圖,節點為 17 個關鍵點,邊為肢體連接,達 F1 = 0.96。
僅適用固定攝影機,無自主跟隨能力;高運算需求難以邊緣部署。
Fan et al. (2024) · Sensors, MDPI
輕量化 MobileViT 架構,在 NVIDIA Jetson Nano 達 23 FPS。知識蒸餾壓縮,模型僅 8 MB,準確率 94.1%。
室外場景準確率下降至 87%;強光/逆光仍是挑戰。
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1.2 · POSE ESTIMATION TIMELINE

人體姿態估計
技術演進

2020
OpenPose
CMU · CVPR
17 點骨架,雙流 CNN。準確率高但速度慢,邊緣端僅 5–8 FPS。
2021
MediaPipe Pose
Google
33 點骨架,手機端 30 FPS。輕量化里程碑。
2022
ViTPose
CVPR
Vision Transformer 架構,COCO benchmark SOTA,
AP = 80.1。
2023
DWPose
ICCV · 本研究候選
知識蒸餾輕量版,NVIDIA Jetson 45 FPS。精度與效能最佳平衡。
2024
MoST + EdgePose
ECCV
時序 Transformer + 邊緣優化,跌倒預警精度 
AUC = 0.94。


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1.3 · PERSON-FOLLOWING ROBOT

跟隨機器人
關鍵研究

01 · 跟隨精度IROS 2023

Social Force + DeepSORT

92% 迴避成功率

融合社交力模型與多目標追蹤,動態障礙物迴避成功率 92%,跟隨偏差 < 0.3 m。

Wang et al. (2023)
02 · 遮擋恢復ICRA 2024

Attention-Based Target Re-ID

<1.2 s 重識別

遮擋後重新識別老人耗時 < 1.2 s;在人群中跟隨正確率 89.3%,適合養老院場景。

Cao et al. (2024)
03 · 安全設計RAL 2022

Safety-Aware Following

99.1% 無碰撞率

專為老年人設計安全距離模型,速度自適應(步速 0.5 – 1.2 m/s)。

Hirano et al. (2022)
04 · 長時追蹤Robotics & AS 2021

SLAM + Person Re-ID Fusion

2.1 s 重定位

即時地圖建構 + 人物識別融合,24 小時連續追蹤,老人離開視野後平均 2.1 s 內重新定位。

Park et al. (2021)

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1.4 · INDUSTRY LANDSCAPE

產業代表
案例分析

US · 2023
穿戴式

Apple Watch S9

超多 救援通報

加速度計 + 陀螺儀偵測,跌倒後自動撥打緊急電話。
問題:需主動配戴,誤報率仍偏高(約 15%)。

US · 2021 – 24
固定攝影機

SafelyYou

300+ 養老院部署

固定攝影機 + 深度學習,AI 識別率 91%。
問題:靠雲端處理,有隱私疑慮。

JP · 2022 – 24
陪伴機器人

FUJI SOFT PALRO

移動巡邏

社交陪伴機器人,可移動巡邏,主要功能為對話陪伴。
跌倒偵測為附加功能,未達商業化精度。

US · 2024
多源融合

Alarm.com + InSight

FDA 許可

智慧家庭感測網絡,雷達 + 攝影機多源融合,免穿戴、覆蓋整屋。
問題:安裝成本高,無主動追蹤。


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Part 0202

三大技術方向
優劣深度分析

Comparative Analysis of Three Technical Approaches
2.1 · WEARABLE SENSORS

穿戴式感測器

93.1%
Kwolek & Kepski (2022) 報告之偵測準確率;假陽性率依場景在 8 – 20% 之間浮動。
原理
三軸加速度計 + 陀螺儀
閾值觸發或 ML 分類
代表產品
Apple Watch S9
Life Alert · Garmin Venu
價格帶
NT$ 3,000 – 15,000
優點 Pros
  • 小巧輕便,不影響外觀
  • 成本低
  • GPS 定位整合方便
  • 電池續航可達數天
缺點 Cons
  • 老人依賴性低(常忘記配戴)
  • 誤報率偏高(8 – 20%)
  • 無視覺資訊,確認需人工介入
  • 充電 / 維護增加照護負擔
  • 無法偵測跌倒時細節姿態
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2.2 · STATIC ENVIRONMENTAL SENSORS

固定式環境感測

紅外線 PIR 感測器

PASSIVE INFRARED
優點
  • 低成本 (< NT$ 500 / 個)
  • 隱私友好,無影像
缺點
  • 偵測精度低(只偵測動作)
  • 無法辨識跌倒細節

深度攝影機 (Kinect)

DEPTH CAMERA
優點
  • 3D 骨架估計精度高
  • 光線影響小
缺點
  • 設備停產 (Kinect V2)
  • 安裝複雜,成本高

壓力感應地板

PRESSURE FLOOR
優點
  • 完全隱私,純物理感測
  • 誤報率低 (< 3%)
缺點
  • 裝修成本極高 (> NT$ 50 萬)
  • 只能偵測特定區域

毫米波雷達 (mmWave)

RADAR
優點
  • 穿透遮蔽物偵測
  • 不受光線影響
缺點
  • 空間解析度低
  • 多人場景混淆
共同核心問題:視角固定、無法追蹤移動中的老人;改裝既有住宅成本高。
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2.3 · VISION-BASED AI SYSTEMS

視覺 AI 偵測系統

A · 雲端
固定 IP 攝影機 + 雲端 AI
精度 91 – 95%,成本低 · 但有隱私疑慮、雲端延遲 1 – 3 s。
B · 邊緣 ★
邊緣計算攝影機(本地 AI)
精度 90 – 94%,延遲 < 0.5 s · 隱私保護佳,但計算成本較高。
C · RGB-D
RGB-D 深度視覺系統
精度 95% + · 但硬體成本 > NT$ 15,000,夜間仍受限。
優點 Pros
  • 免穿戴,使用者無負擔
  • 可記錄跌倒過程,提供視覺證據
  • 三大類中準確率最高(91 – 97%)
  • 可整合人臉識別等多種 AI 功能
  • 邊緣端部署可保護隱私
缺點 Cons
  • 視角固定,死角問題
  • 老人接受度低(隱私心理障礙)
  • 光線不足/遮擋影響精度
  • 安裝位置規劃複雜
  • 多房間需多台設備,成本倍增
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2.4 · COMPARISON MATRIX

三大技術方向
綜合比較矩陣

比較維度 穿戴式 固定環境 視覺 AI 本研究方案
偵測準確率 ★★★☆☆80–93% ★★★☆☆78–92% ★★★★☆91–97% ★★★★★目標 > 95%
視角/覆蓋範圍 ★★★★★全身感測 ★★☆☆☆固定視角 ★★☆☆☆固定視角 ★★★★★主動跟隨
使用者負擔 ★☆☆☆☆需配戴 ★★★★★免穿戴 ★★★★★免穿戴 ★★★★★免穿戴
隱私保護 ★★★★☆無影像 ★★★☆☆視型別 ★★☆☆☆需影像 ★★★★☆邊緣計算
安裝成本 ★★★★☆ ★★☆☆☆中高 ★★★☆☆ ★★★☆☆
通報機制 ★★★☆☆單一 ★★★☆☆單一 ★★☆☆☆單一 ★★★★★多層漸進
夜間可用性 ★★★★★全天 ★★★★☆部分 ★★☆☆☆有限 ★★☆☆☆有限
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Part 0303

本方案差異性
與創新定位

Positioning & Differentiation of Our Approach
3.1 · THREE INNOVATIONS

本研究
三大創新突破點

01

主動跟隨偵測

全程無死角

現有方案均為被動靜態感測。本研究首次整合移動機器人平台,確保老人隨時在感測視野內,從根本解決視角盲點問題。

超越 SafelyYou(靜態)& Apple Watch(無視覺)
02

邊緣計算

隱私保護

所有影像分析在本地進行,不上傳雲端。對比 SafelyYou 與 Alarm.com 的雲端方案,從架構設計上消除隱私疑慮,符合 GDPR 精神

依據:Fan et al. (2024) 輕量化邊緣模型
03

多層漸進式

通報機制

現有方案僅有單一警報。本研究設計語音確認 → App 推播 → 電話通報 → 119 自動報案四層遞進,大幅降低誤報擾民,同時確保真實跌倒不漏報。

研究貢獻:四層通報協議

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3.2 · POSITIONING MAP

技術定位地圖

← 隱私保護程度 →
← 覆蓋/跟隨靈活性 →
Apple Watch
mmWave
雷達
Kinect
SafelyYou
PALRO
機器人
本研究
方案

隱私保護 × 主動跟隨的交集,是現有方案缺席的空白地帶


  • 右上 = 機會:跟隨靈活性高 + 隱私保護強
  • 機器人平台突破靜態裝置的座標限制
  • 邊緣計算突破雲端方案的隱私限制
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Part 0404

研究方法路線圖

Research Roadmap · Technical Selection · Expected Outcomes
4.1 · TECHNICAL SELECTION

技術選型依據

任務
選定技術
選擇理由
捨棄替代
姿態估計
DWPose
ICCV 2023
邊緣端 45 FPS,17 關鍵點,知識蒸餾輕量化,準確率與效能最佳平衡。
vs. OpenPose(太重)
vs. MediaPipe(精度稍低)
行為分類
CNN + Bi-LSTM
Fan et al. (2024) 驗證輕量可行;時序建模可排除蹲下/彎腰誤判。
vs. pure CNN(無時序)
vs. Transformer(邊緣負擔重)
目標追蹤
DeepSORT + Re-ID
Wang (2023) 驗證遮擋後恢復 < 1.2s;Cao (2024) 人群識別率 89%。
vs. SORT(無 Re-ID)
vs. BYTE(缺 Re-ID 模組)
導航避障
DWA + SLAM (ROS2)
成熟生態,居家環境 < 5 m² 空間驗證充分;與 Park (2021) 架構相容。
vs. 純規則導航(適應性不足)
通訊通報
MQTT + FCM + SIP
低延遲推播 (< 200 ms);SIP 支援自動撥號 119;三層備援確保通報。
vs. HTTP polling(延遲高)
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4.3 · EXPECTED OUTCOMES

預期成果與
量化評估指標

跌倒偵測準確率
>95%
超過業界標準
對比 SafelyYou 91%
對比 Chen et al. 97.3%
通報完成時間
<30
語音 → App → 電話 → 119
業界標準 60 秒
黃金救援窗口 < 30 分鐘
系統運行時間
5小 時
電池單次續航
自動返回充電站
目標電池續航 > 4 小時
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SUMMARY · 19 / 20

文獻探討小結

三大核心發現,歸納本週文獻探討重點。
01

現有三大技術方向各有無法突破的根本缺口(穿戴依從性 / 視角盲點 / 雲端隱私)。本研究方案透過移動機器人平台從架構層面解決。

02

文獻驗證 DWPose + CNN+BiLSTM + DeepSORT 組合在邊緣端可行,學術依據充分,技術選型具說服力。

03

本研究首次整合「主動跟隨 + 跌倒偵測 + 多層通報 + 前兆預警」四功能,具清晰差異化定位與創新貢獻。

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Thank you.
Questions & Discussion

Week 02 · Literature Review & Technical Comparison  

1144638 張詠荃 · 1144663 傅宣文