实验儿童落井 落井儿童救助器

　　一、项目的确定 　　 　　小时候，妈妈曾给我讲过一个难忘的真实故事。在她的老家农安县高家店镇，姥姥家的邻居打了一口小井，当时刚完工，家中最小的3岁小孩看热闹时不慎掉入井中。虽然当时人很多，但采取很多方法都无法救助，眼巴巴地看着小孩由有声到无声，直到死在井中。小孩的母亲后来想孩子疯了。这个故事给我留下了深刻烙印，使我久久不能忘记。
　　后来，我在网上浏览时又看到这样一则令人难忘的报道：
　　“一个生命的流逝”2006年4月22日，北京市通州区永乐店镇东何各庄，一名8岁男孩坠入机井，经过5个小时的救助，落井儿童被消防官兵从井内救出，但因男孩没入井内水中，溺水而遭不幸(图1)。
　　看过令人伤心的一幕，感到生命的脆弱。虽然没有像摄影师一样身在现场，但是还是深切地感到生命消逝带来的悲伤。特别是井口边的母亲只能眼睁睁地看着自己儿子在自己的眼前停止呼吸，却不能施救。后来，我再在CCTV-2“生活”栏目看到类似报道时，都会沉浸在一种莫名的悲伤中。更让人难以忍受的是生命就在面前，即将被夺走，浑身都是力气就是帮不上忙。出现这样的情况都是由于救助现场不具备省时省力的救助条件。如何能改善救助现场存在的客观不利条件给救助工作带来的障碍，这是我萌生发明一种落井儿童救助设备的构思来源。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　二、目前救助的方法和弊端
　　
　　我将近年来部分小口径竖井救援情况进行了汇总(见表1)，综合这些案例不难看出。目前井下救援存在着以下几个弊端：
　　1　儿童落井一般出现在农村的灌溉机井和城市建筑工地的施工井中，这两种井的数量较大，如管理不善，很容易造成落井。
　　2　大口径的水井比较好救人，可以直接下去打捞，但直径较小的建筑工地井或农村机井，大型救助工具没有用武之地，人力救助也往往无从下手。
　　3　落井者大多是年幼的儿童，没有自救能力，即使扔下绳子，自己也无法系住身体。
　　4　目前儿童落人细井后，由于救援人员无法下去直接救助，一般采用两种方法进行救助，一种方法是用长杆前面绑上钩子，用钩子钩。这种方法一是容易钩伤人体，二是往往钩不住，中途掉下来，更危险。第二种方法是用人力或大型挖掘机，从井旁深挖土直至挖到小孩身体下部的井壁，然后破开井壁，救出小孩。这种方法费时费力。有时可能时间来不及。还有时这两种方法同时使用，但总的来说都不是合理的救助方式。
　　5　根据专利查新，目前有三项与本发明有关的专利。其中CN200620009340.1和CN200620009597.7为赵小强的筒体式水井救生器，人体需从简体侧部开口进入筒内，它不适合被卡在井中的儿童使用。因为它无法打开侧门。另一项CN200620136121.X为郭云民的剪刀钩式井下救援工具，它是通过用两个平钩挂住人体头部提拉的方式进行求援的。此方式虽可救人，但容易伤及颈椎，其人性化程度不如我的发明。
　　6　2008年12月25日18时，山东卫视“天下故事”节目中播出一段“农村机井救人”的现场报道，内容是一个小孩掉入农村机井，用很多办法救都不见效，后来找来一个有专门救人工具的人来，他用的是一个长臂(与我们的类似)，长臂前有三个可折叠的钩子，用了很长时间，最后把小孩捞上来了。但由于种种原因，小孩死掉了。
　　
　　　三、最初仿生手的思考与研制(A1、A2型)
　　
　　我经常看到救助小孩落井的报道，有时甚至看到孩子在无奈的救助中逐渐消失了生命，我就想，自己如果有一双“如来神掌”该多好啊。随着年龄的增长，这种幻想渐渐的淡了，但又产生了发明一双机械手的想法。可能是由于知识储备有限的原因吧，总是找不到一个清晰的思路。说来也巧，一次吃了一个完整的鸡爪子，发现当用牙齿咬鸡爪子上部的时候鸡爪子也跟着动。于是拿下来仔细观察。发现鸡爪子皮的下面有几根筋一样的东西很有韧性，在煮熟的情况下依然坚硬。当用手拉其中一根的时候发现鸡的一只脚趾就跟着动，换一个另一个脚趾跟着动，都拉动的时候整个脚趾都蜷缩在一起。我兴奋得跳起来，自己苦苦寻找的方法就这么巧合的碰到了，于是买了几个生的鸡爪子回家仔细研究，开始了井下救助器的研制。
　　
　　1　最初的仿生手(A1型)
　　最初的想法是做一个鸡爪子一样的机械手。当探到孩子时收缩将孩子抓牢，然后提起。这个想法很快又被否定，原因是孩子不是一件东西，硬拉是会被拉坏的，即使拉不坏半途掉下去就更糟糕了。另外是抓力的大小不能够掌控，如果抓力过大，会伤害到孩子，抓力过小会掉下去。这个问题在后来的很长一段时间一直困扰着我，我也变得更爱吃鸡爪子了，还有就是总喜欢观察什么窟窿啊、洞啊、水泥管子什么的，总是在想用什么能把这样三件东西联系在一起。也不知道从什么时候起我发现大人在抱孩子的时候尤其是从地上往起抱或者将孩子放到一个较高的位置，总喜欢用两只手紧紧握住孩子的腋下。回想起自己孩童时期也总是这样被抱着，以前对这个问题没有过什么思考，现在想想还真是很有道理。如果人被抓着头或手然后拉起来，那滋味一定不好受；所以，抱孩子的时候都是双手牢牢地握住腋下。那么如果我有机械手，能够握住孩子的腋下，问题不就解决了么。怎样才能握住腋下呢?上网再浏览相关意外事件的新闻，发现一般掉到宽大的井里的孩子是可以下去人来施救的，而掉到小井口的孩子都是由于踩空而落入井中，多数孩子是头朝上的。这时候除非有一双手牢牢地抓住孩子将他拖出。如果我的机械手要是能够伸到孩子的腋下就可以在最短的时间把孩子救上来。
　　我做了一个小实验，找来了一个圆筒和一个比圆筒稍细的瓶子，将瓶子投放到圆筒中，伸手去抓瓶子。一种方法是五指同时并拢抓住瓶口，还有一种方法就是要合并四只伸出拇指从瓶子的侧面去抓住瓶子。这时候其实我的手就相当于只有两个手指了，思路是一下子明朗了。于是按鸡爪的原理，设计了两个带活动关节的手指，每个手指由四个梯形关节组成将梯形关节的底部用合页连接起来。在每个手指的内侧固定一根钢丝作为手指的筋，用提拉两根筋的方法，控制手的开合。另外，在手指的关节的内部安装了一个弹簧片来实现当筋松弛的时候手指自动张开。根据这个设计制成的实物模型确实达到了预定的目的，而提拉两根筋的方法，最初是用一根轴同时缠两根筋，并配以绳轮、棘轮、棘爪来实现手指的收缩和固定的。同时设计了一个长臂，长臂的长度按不同井深而变。这种设计我叫它A1型。
　　
　　2　改进后的仿生手(A2型)
　　在实验中发现要想用绳轮拉紧手指比较费力。原因是绳轴的直径是10mm，绳轮的平均直径是40mm，按着杠杆原理，拉力只能增大4倍。经过思考后改为丝杠，以增大拉力。因丝杠相当 于一个缠绕的斜面。其直径为10mm，螺距为1mm，拉力可增大31.4倍，并且具有自锁功能。省去了制造复杂的棘轮和棘爪，这样改进后的仿生手制造和使用都很方便，这种设计我叫它A2型(如图2所示)。
　　
　　四、进一步的思考与仿生手的改进(B型)
　　
　　第三部分所述的最初的A1及A2型作为仿生长臂机械手是成功的，如果从较大口径的井里(井径大于等于40cm)救小孩是没有问题的。可是大口径的井，救助人可以直接下去施救，没必要用专门工具，真要用它从细井里救小孩(井径30cm)，还是有问题的。主要是手指关节的厚度影响了手指内部的有效直径，可能无法从头部套进小孩的身体。要解决这一问题，就必须减小手指关节的厚度，但简单地减小手指关节厚度是不可取的，因为减到很小时，筋的受力将很大，而握力并不大，如何解决呢?
　　根据观察。从受力上看，手指关节的外侧受压，而内侧是受拉的。因此可以把外侧做成硬的，而内侧做成软带式的。这样就能最大限度地减小手指关节的厚度了。根据小模型的试验，它是可行的。这种设计我叫它B型(如图3所示)。
　　
　　五、环形救助器的定型(C型)
　　
　　第四部分所述的B型仿生长臂机械手虽然取得了成功，但缺点还是有的，主要是握力还不能提高到很大，安全可靠性欠佳，其重要原因是因为两个手指是分开的。另外转动丝杠的过程比较费时。
　　根据B型软带形手指的启发，我想如果把两个手指变成一个手指，把两根筋变成一根筋，做成封闭圆环套式的，把分手抱改为牵着手抱，不仅省力，还能使握力和拉力能增大到我们希望的程度，由此又进行了改进。并首先制作了一个小模型，试验成功后，就制作了一个实物，这种设计我叫它C型(如图4所示)。
　　具体方案是：首先把两个手指改为一个可以调解直径的撑带片，把两根筋改为一根能兜住身体的扁带，再用适当的办法把扁带缠在撑带片的内侧，缠的方法可以有两种：一种方法是用细皮筋，第二种方法是用细不干胶带。第二种方法要注意的是：缠完后要从内侧用刀把不干胶带划断，否则很难拉断。当提拉与扁带相连的主绳时，扁带会离开撑带片，口径不断缩小，直至拉到能兜住人体为止，在下拉杆内部设有扁带逆止器和逆止器的控制装置。这样改进后，不仅更安全可靠，而且结构更为简化，便于制造，同时我们还可以扩大使用功能。当把长臂转成合理角度，并且调解圈的大小后，还可以解救落水落冰的人；当改用钢丝绳做套后，我们甚至还可以用于某种作业中。救助拉杆可以准备多节，两端设螺纹现场连接。当井较深时，宜安装摄像头(带有照明灯)及通话器，对井下情况进行监控(图5)。
　　本发明以改进后的环形救助器(C型)为最后成果，其结构见图6及图7。
　　落井儿童救助器是由多根救助拉杆18、主绳23、辅绳24、救助器头部上的摄像头14和通话器13所组成，其创新点是：在救助器头部装置设有直径可以调解的撑带片8，在撑带片8的内侧设有可以兜住人体的扁带圈部7，扁带圈部7用皮筋或不干胶带16缠在撑带片8的内侧，扁带端部4穿过下拉杆6的进出孔后与主绳23相连，在下拉杆6内设有扁带逆止器，扁带逆止器的拉环5与辅绳24相连，上拉杆3上设有与救助杆18相连的连接螺纹1和紧杆孔2，下拉杆6上设有与撑带片架10相连的转轴12，紧固螺母11，在撑带片架10和上拉杆3上分别设有供救助器水平使用时与水平支撑21相连的固定孔9和15，同时备有紧杆器19，穿带片20和刀片22三种作为安装工具用的附件。
　　
　　六、模拟救助与救助器的完善和应用
　　
　　1　模拟救助及实物演练
　　我准备了模拟井、布娃娃、两种救助器模型，以备模拟救助演示。
　　模拟井用一段塑料管代替，落井儿童用一个布娃娃代替，当把布娃娃放人井中后，只能看到一个脑袋。
　　第一个模拟救助用的是B型仿生手，首先放松两个手指，插入井内到达人体后，慢慢上下串动，使救助器头部到达腿部，再转动救助杆，使两个手指合拢，再慢慢上提救助杆，使绳兜住人体胸部，当控制好抱紧力度后，就可以把人提拉上来了。通过观察可发现其抱紧力不大，二是费时(图8)。
　　第二个模拟救助是用c型环型救助器，方法与B型基本相同，不同是：救助器头部到达腿部后，慢慢提拉主绳，再慢慢上提，兜住胸部后。就可以把人提拉上来了。通过观察，发现此方法更安全可靠，同时省时(图9)。
　　第三个是对实物进行演练，对2岁小孩体重在30斤左右，用C型救助器演练成功。当提升扁带收缩后，兜住小孩腋下，安全可靠，省时省力，达到了设计要求(图10)。
　　
　　2　救助器的完善和应用建议
　　落井儿童的情况可能是多种多样，施救方法也是多种多样。我的这种救助器。只是又增加了一种新的方法。它不可能是万能的。因为没有万能的东西，它只适合于细井头朝上的情况。这种情况往往是多数的，它能很快地把小孩安全可靠的从细井中救出。目前仅仅是初步，还需要不断改进和完善。作为一个学生，我不可能把过多的精力继续用在这方面。
　　对救助器的完善和应用，我提出如下建议：
　　(1)总体材料仍宜选用白钢，但各部分连接应焊接。使其更美观。
　　(2)救助器头部的扁带进出口应该做得很光滑，进口处可用弯头做，扁带逆止器做得更精制一些。
　　(3)救助拉杆的数量应多准备一些。
　　(4)本样品是用电脑的摄像头和笔记本电脑做监视装置的，可能由于功率小，其信号较弱，图像传送距离较近。实际应用时，应设计使用性能较好并能潜水的监控装置。
　　(5)安装一套传声通话器(有线扩音器)，救助人员的声音可以传到井下，被救助人员的声音可以传到井上。这样被救助人员可以积极配合，同时还可以消除恐慌心理，更具人性化。
　　(6)根据上述建议，我委托加工厂制作了一个实物(如图11所示)。
　　(7)建议公安和消防部门，抢险救生部门配备本救助器。
　　
　　七、救助器的研制总结
　　
　　1　落井儿童救助器研制过程分为四个阶段。各阶段性能见表2。
　　2　从表2的四个阶段可看出，每下一个阶段都是对上一个阶段主要缺点的改进，以至于最后结果的结构与最初想法完全不同，环式结构的成果我认为是基本达到了目的，它结构简单，兜胸方式最合理，使用安全可靠，速度快，承载能力高，是我追求的一种救助器。
　　3　本救助器上所设的转轴12，使头部可以折叠，即方便了平时存放，又可扩大使用功能，当水平使用时，可救助落水落冰的人，同时也可用于其他特定作业。
　　
　　落井儿童救助器的使用说明
　　
　　1　落井儿童救助器包括如表3所示的主件及辅件，使用前应作好检查，看是否完好。
　　2　到达井位后，首先测量一下井口直径，并估计一下井深，调解撑带片直径，如救助拉杆的数量不足，可用竹木杆代替。
　　3　用穿带片把双折扁带从下拉杆上口穿入，从下口拉出，拉出长度约为撑带片直径的1.6～1.7倍，并且试拉一下扁带逆止器是否可靠，然后把双折扁带分开，把扁带缠在撑带片的内侧，缠的方法可以有两种：一种方法是用细皮筋，第二种方法是用细不干胶带，第二种方法要注意的是：缠完后要从内侧用刀片把不干胶带划断，否则很难拉断。安装好通话器及摄像头。
　　4　连好主绳及辅绳，主绳连在扁带的端部，辅绳连在逆止器的拉环上。接好第一根救助拉杆，并用紧杆器紧好，把救助器头部放入井口，并不断续接救助拉杆。并同时下放主绳及辅绳及监控线，直到救助器头部达到人体。
　　5　利用摄像头的观测，把撑带片送到人体腰部以下，慢慢拉动主绳，再慢慢上提，反反复复仔仔细细操作，直到扁带兜紧人体腋下胸部，再把人慢慢拉出井口，这一步是最关键的，需要细心和耐心。
　　6　随着人体的上升，要不断拆除救助拉杆，当人出井口后，松开扁带逆止器，就可把人松开了。
　　7　辅绳一般情况下不必操作，只有认为兜得太紧，需要放松时才用。
　　8　本救助器也可水平使用，供救助落水落冰的人。
　　9　本救助器按50公斤的承重能力设计，如果用钢丝绳替代。承重能力还可提高，用于特定作业场合。
　　10　使用中需注意的事项
　　(1)当井壁不直或中间有缩小时，撑带片调节好直径后，不要用螺丝固定，使撑带片有一定弹性，以适应井壁的变化。
　　(2)当井壁粗糙时，有可能磨断皮筋，解决方法有三种：
　　①当用摄像头看到皮筋被磨断后，提上来重新换一根。
　　②改用多个单根皮筋绑扎。
　　③改用细不干胶带绑扎。
　　(3)主绳及辅绳不要相互缠绕，应用细绳套捆在救助杆上。
　　(4)井下通话器等用电，最好使用低压或电池，不宜使用市电(220V)。
　　(5)兜住小孩后需试提几下，注意兜紧，防止中途掉下。
　　(6)一般情况下，应同时用氧气胶管向井下送氧气。