一、項(xiàng)目的確定
　　
　　小時候，媽媽曾給我講過一個難忘的真實(shí)故事。在她的老家農(nóng)安縣高家店鎮(zhèn)，姥姥家的鄰居打了一口小井，當(dāng)時剛完工，家中最小的3歲小孩看熱鬧時不慎掉入井中。雖然當(dāng)時人很多，但采取很多方法都無法救助，眼巴巴地看著小孩由有聲到無聲，直到死在井中。小孩的母親后來想孩子瘋了。這個故事給我留下了深刻烙印，使我久久不能忘記。
　　后來，我在網(wǎng)上瀏覽時又看到這樣一則令人難忘的報(bào)道：
　　“一個生命的流逝”2006年4月22日，北京市通州區(qū)永樂店鎮(zhèn)東何各莊，一名8歲男孩墜入機(jī)井，經(jīng)過5個小時的救助，落井兒童被消防官兵從井內(nèi)救出，但因男孩沒入井內(nèi)水中，溺水而遭不幸(圖1)。
　　看過令人傷心的一幕，感到生命的脆弱。雖然沒有像攝影師一樣身在現(xiàn)場，但是還是深切地感到生命消逝帶來的悲傷。特別是井口邊的母親只能眼睜睜地看著自己兒子在自己的眼前停止呼吸，卻不能施救。后來，我再在CCTV-2“生活”欄目看到類似報(bào)道時，都會沉浸在一種莫名的悲傷中。更讓人難以忍受的是生命就在面前，即將被奪走，渾身都是力氣就是幫不上忙。出現(xiàn)這樣的情況都是由于救助現(xiàn)場不具備省時省力的救助條件。如何能改善救助現(xiàn)場存在的客觀不利條件給救助工作帶來的障礙，這是我萌生發(fā)明一種落井兒童救助設(shè)備的構(gòu)思來源。
　　
　　
　　
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　　二、目前救助的方法和弊端
　　
　　我將近年來部分小口徑豎井救援情況進(jìn)行了匯總(見表1)，綜合這些案例不難看出。目前井下救援存在著以下幾個弊端：
　　1　兒童落井一般出現(xiàn)在農(nóng)村的灌溉機(jī)井和城市建筑工地的施工井中，這兩種井的數(shù)量較大，如管理不善，很容易造成落井。
　　2　大口徑的水井比較好救人，可以直接下去打撈，但直徑較小的建筑工地井或農(nóng)村機(jī)井，大型救助工具沒有用武之地，人力救助也往往無從下手。
　　3　落井者大多是年幼的兒童，沒有自救能力，即使扔下繩子，自己也無法系住身體。
　　4　目前兒童落人細(xì)井后，由于救援人員無法下去直接救助，一般采用兩種方法進(jìn)行救助，一種方法是用長桿前面綁上鉤子，用鉤子鉤。這種方法一是容易鉤傷人體，二是往往鉤不住，中途掉下來，更危險(xiǎn)。第二種方法是用人力或大型挖掘機(jī)，從井旁深挖土直至挖到小孩身體下部的井壁，然后破開井壁，救出小孩。這種方法費(fèi)時費(fèi)力。有時可能時間來不及。還有時這兩種方法同時使用，但總的來說都不是合理的救助方式。
　　5　根據(jù)專利查新，目前有三項(xiàng)與本發(fā)明有關(guān)的專利。其中CN200620009340.1和CN200620009597.7為趙小強(qiáng)的筒體式水井救生器，人體需從簡體側(cè)部開口進(jìn)入筒內(nèi)，它不適合被卡在井中的兒童使用。因?yàn)樗鼰o法打開側(cè)門。另一項(xiàng)CN200620136121.X為郭云民的剪刀鉤式井下救援工具，它是通過用兩個平鉤掛住人體頭部提拉的方式進(jìn)行求援的。此方式雖可救人，但容易傷及頸椎，其人性化程度不如我的發(fā)明。
　　6　2008年12月25日18時，山東衛(wèi)視“天下故事”節(jié)目中播出一段“農(nóng)村機(jī)井救人”的現(xiàn)場報(bào)道，內(nèi)容是一個小孩掉入農(nóng)村機(jī)井，用很多辦法救都不見效，后來找來一個有專門救人工具的人來，他用的是一個長臂(與我們的類似)，長臂前有三個可折疊的鉤子，用了很長時間，最后把小孩撈上來了。但由于種種原因，小孩死掉了。
　　
　　　三、最初仿生手的思考與研制(A、A型)
　　
　　我經(jīng)?？吹骄戎『⒙渚膱?bào)道，有時甚至看到孩子在無奈的救助中逐漸消失了生命，我就想，自己如果有一雙“如來神掌”該多好啊。隨著年齡的增長，這種幻想漸漸的淡了，但又產(chǎn)生了發(fā)明一雙機(jī)械手的想法?？赡苁怯捎谥R儲備有限的原因吧，總是找不到一個清晰的思路。說來也巧，一次吃了一個完整的雞爪子，發(fā)現(xiàn)當(dāng)用牙齒咬雞爪子上部的時候雞爪子也跟著動。于是拿下來仔細(xì)觀察。發(fā)現(xiàn)雞爪子皮的下面有幾根筋一樣的東西很有韌性，在煮熟的情況下依然堅(jiān)硬。當(dāng)用手拉其中一根的時候發(fā)現(xiàn)雞的一只腳趾就跟著動，換一個另一個腳趾跟著動，都拉動的時候整個腳趾都蜷縮在一起。我興奮得跳起來，自己苦苦尋找的方法就這么巧合的碰到了，于是買了幾個生的雞爪子回家仔細(xì)研究，開始了井下救助器的研制。
　　
　　1　最初的仿生手(A型)
　　最初的想法是做一個雞爪子一樣的機(jī)械手。當(dāng)探到孩子時收縮將孩子抓牢，然后提起。這個想法很快又被否定，原因是孩子不是一件東西，硬拉是會被拉壞的，即使拉不壞半途掉下去就更糟糕了。另外是抓力的大小不能夠掌控，如果抓力過大，會傷害到孩子，抓力過小會掉下去。這個問題在后來的很長一段時間一直困擾著我，我也變得更愛吃雞爪子了，還有就是總喜歡觀察什么窟窿啊、洞啊、水泥管子什么的，總是在想用什么能把這樣三件東西聯(lián)系在一起。也不知道從什么時候起我發(fā)現(xiàn)大人在抱孩子的時候尤其是從地上往起抱或者將孩子放到一個較高的位置，總喜歡用兩只手緊緊握住孩子的腋下。回想起自己孩童時期也總是這樣被抱著，以前對這個問題沒有過什么思考，現(xiàn)在想想還真是很有道理。如果人被抓著頭或手然后拉起來，那滋味一定不好受；所以，抱孩子的時候都是雙手牢牢地握住腋下。那么如果我有機(jī)械手，能夠握住孩子的腋下，問題不就解決了么。怎樣才能握住腋下呢?上網(wǎng)再瀏覽相關(guān)意外事件的新聞，發(fā)現(xiàn)一般掉到寬大的井里的孩子是可以下去人來施救的，而掉到小井口的孩子都是由于踩空而落入井中，多數(shù)孩子是頭朝上的。這時候除非有一雙手牢牢地抓住孩子將他拖出。如果我的機(jī)械手要是能夠伸到孩子的腋下就可以在最短的時間把孩子救上來。
　　我做了一個小實(shí)驗(yàn)，找來了一個圓筒和一個比圓筒稍細(xì)的瓶子，將瓶子投放到圓筒中，伸手去抓瓶子。一種方法是五指同時并攏抓住瓶口，還有一種方法就是要合并四只伸出拇指從瓶子的側(cè)面去抓住瓶子。這時候其實(shí)我的手就相當(dāng)于只有兩個手指了，思路是一下子明朗了。于是按雞爪的原理，設(shè)計(jì)了兩個帶活動關(guān)節(jié)的手指，每個手指由四個梯形關(guān)節(jié)組成將梯形關(guān)節(jié)的底部用合頁連接起來。在每個手指的內(nèi)側(cè)固定一根鋼絲作為手指的筋，用提拉兩根筋的方法，控制手的開合。另外，在手指的關(guān)節(jié)的內(nèi)部安裝了一個彈簧片來實(shí)現(xiàn)當(dāng)筋松弛的時候手指自動張開。根據(jù)這個設(shè)計(jì)制成的實(shí)物模型確實(shí)達(dá)到了預(yù)定的目的，而提拉兩根筋的方法，最初是用一根軸同時纏兩根筋，并配以繩輪、棘輪、棘爪來實(shí)現(xiàn)手指的收縮和固定的。同時設(shè)計(jì)了一個長臂，長臂的長度按不同井深而變。這種設(shè)計(jì)我叫它A型。
　　
　　2　改進(jìn)后的仿生手(A型)
　　在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)要想用繩輪拉緊手指比較費(fèi)力。原因是繩軸的直徑是10mm，繩輪的平均直徑是40mm，按著杠桿原理，拉力只能增大4倍。經(jīng)過思考后改為絲杠，以增大拉力。因絲杠相當(dāng)于一個纏繞的斜面。其直徑為10mm，螺距為1mm，拉力可增大31.4倍，并且具有自鎖功能。省去了制造復(fù)雜的棘輪和棘爪，這樣改進(jìn)后的仿生手制造和使用都很方便，這種設(shè)計(jì)我叫它A型(如圖2所示)。
　　
　　四、進(jìn)一步的思考與仿生手的改進(jìn)(B型)
　　
　　第三部分所述的最初的A及A型作為仿生長臂機(jī)械手是成功的，如果從較大口徑的井里(井徑大于等于40cm)救小孩是沒有問題的?？墒谴罂趶降木?，救助人可以直接下去施救，沒必要用專門工具，真要用它從細(xì)井里救小孩(井徑30cm)，還是有問題的。主要是手指關(guān)節(jié)的厚度影響了手指內(nèi)部的有效直徑，可能無法從頭部套進(jìn)小孩的身體。要解決這一問題，就必須減小手指關(guān)節(jié)的厚度，但簡單地減小手指關(guān)節(jié)厚度是不可取的，因?yàn)闇p到很小時，筋的受力將很大，而握力并不大，如何解決呢?
　　根據(jù)觀察。從受力上看，手指關(guān)節(jié)的外側(cè)受壓，而內(nèi)側(cè)是受拉的。因此可以把外側(cè)做成硬的，而內(nèi)側(cè)做成軟帶式的。這樣就能最大限度地減小手指關(guān)節(jié)的厚度了。根據(jù)小模型的試驗(yàn)，它是可行的。這種設(shè)計(jì)我叫它B型(如圖3所示)。
　　
　　五、環(huán)形救助器的定型(C型)
　　
　　第四部分所述的B型仿生長臂機(jī)械手雖然取得了成功，但缺點(diǎn)還是有的，主要是握力還不能提高到很大，安全可靠性欠佳，其重要原因是因?yàn)閮蓚€手指是分開的。另外轉(zhuǎn)動絲杠的過程比較費(fèi)時。
　　根據(jù)B型軟帶形手指的啟發(fā)，我想如果把兩個手指變成一個手指，把兩根筋變成一根筋，做成封閉圓環(huán)套式的，把分手抱改為牽著手抱，不僅省力，還能使握力和拉力能增大到我們希望的程度，由此又進(jìn)行了改進(jìn)。并首先制作了一個小模型，試驗(yàn)成功后，就制作了一個實(shí)物，這種設(shè)計(jì)我叫它C型(如圖4所示)。
　　具體方案是：首先把兩個手指改為一個可以調(diào)解直徑的撐帶片，把兩根筋改為一根能兜住身體的扁帶，再用適當(dāng)?shù)霓k法把扁帶纏在撐帶片的內(nèi)側(cè)，纏的方法可以有兩種：一種方法是用細(xì)皮筋，第二種方法是用細(xì)不干膠帶。第二種方法要注意的是：纏完后要從內(nèi)側(cè)用刀把不干膠帶劃斷，否則很難拉斷。當(dāng)提拉與扁帶相連的主繩時，扁帶會離開撐帶片，口徑不斷縮小，直至拉到能兜住人體為止，在下拉桿內(nèi)部設(shè)有扁帶逆止器和逆止器的控制裝置。這樣改進(jìn)后，不僅更安全可靠，而且結(jié)構(gòu)更為簡化，便于制造，同時我們還可以擴(kuò)大使用功能。當(dāng)把長臂轉(zhuǎn)成合理角度，并且調(diào)解圈的大小后，還可以解救落水落冰的人；當(dāng)改用鋼絲繩做套后，我們甚至還可以用于某種作業(yè)中。救助拉桿可以準(zhǔn)備多節(jié)，兩端設(shè)螺紋現(xiàn)場連接。當(dāng)井較深時，宜安裝攝像頭(帶有照明燈)及通話器，對井下情況進(jìn)行監(jiān)控(圖5)。
　　本發(fā)明以改進(jìn)后的環(huán)形救助器(C型)為最后成果，其結(jié)構(gòu)見圖6及圖7。
　　落井兒童救助器是由多根救助拉桿18、主繩23、輔繩24、救助器頭部上的攝像頭14和通話器13所組成，其創(chuàng)新點(diǎn)是：在救助器頭部裝置設(shè)有直徑可以調(diào)解的撐帶片8，在撐帶片8的內(nèi)側(cè)設(shè)有可以兜住人體的扁帶圈部7，扁帶圈部7用皮筋或不干膠帶16纏在撐帶片8的內(nèi)側(cè)，扁帶端部4穿過下拉桿6的進(jìn)出孔后與主繩23相連，在下拉桿6內(nèi)設(shè)有扁帶逆止器，扁帶逆止器的拉環(huán)5與輔繩24相連，上拉桿3上設(shè)有與救助桿18相連的連接螺紋1和緊桿孔2，下拉桿6上設(shè)有與撐帶片架10相連的轉(zhuǎn)軸12，緊固螺母11，在撐帶片架10和上拉桿3上分別設(shè)有供救助器水平使用時與水平支撐21相連的固定孔9和15，同時備有緊桿器19，穿帶片20和刀片22三種作為安裝工具用的附件。
　　
　　六、模擬救助與救助器的完善和應(yīng)用
　　
　　1　模擬救助及實(shí)物演練
　　我準(zhǔn)備了模擬井、布娃娃、兩種救助器模型，以備模擬救助演示。
　　模擬井用一段塑料管代替，落井兒童用一個布娃娃代替，當(dāng)把布娃娃放人井中后，只能看到一個腦袋。
　　第一個模擬救助用的是B型仿生手，首先放松兩個手指，插入井內(nèi)到達(dá)人體后，慢慢上下串動，使救助器頭部到達(dá)腿部，再轉(zhuǎn)動救助桿，使兩個手指合攏，再慢慢上提救助桿，使繩兜住人體胸部，當(dāng)控制好抱緊力度后，就可以把人提拉上來了。通過觀察可發(fā)現(xiàn)其抱緊力不大，二是費(fèi)時(圖8)。
　　第二個模擬救助是用c型環(huán)型救助器，方法與B型基本相同，不同是：救助器頭部到達(dá)腿部后，慢慢提拉主繩，再慢慢上提，兜住胸部后。就可以把人提拉上來了。通過觀察，發(fā)現(xiàn)此方法更安全可靠，同時省時(圖9)。
　　第三個是對實(shí)物進(jìn)行演練，對2歲小孩體重在30斤左右，用C型救助器演練成功。當(dāng)提升扁帶收縮后，兜住小孩腋下，安全可靠，省時省力，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求(圖10)。
　　
　　2　救助器的完善和應(yīng)用建議
　　落井兒童的情況可能是多種多樣，施救方法也是多種多樣。我的這種救助器。只是又增加了一種新的方法。它不可能是萬能的。因?yàn)闆]有萬能的東西，它只適合于細(xì)井頭朝上的情況。這種情況往往是多數(shù)的，它能很快地把小孩安全可靠的從細(xì)井中救出。目前僅僅是初步，還需要不斷改進(jìn)和完善。作為一個學(xué)生，我不可能把過多的精力繼續(xù)用在這方面。
　　對救助器的完善和應(yīng)用，我提出如下建議：
　　(1)總體材料仍宜選用白鋼，但各部分連接應(yīng)焊接。使其更美觀。
　　(2)救助器頭部的扁帶進(jìn)出口應(yīng)該做得很光滑，進(jìn)口處可用彎頭做，扁帶逆止器做得更精制一些。
　　(3)救助拉桿的數(shù)量應(yīng)多準(zhǔn)備一些。
　　(4)本樣品是用電腦的攝像頭和筆記本電腦做監(jiān)視裝置的，可能由于功率小，其信號較弱，圖像傳送距離較近。實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)設(shè)計(jì)使用性能較好并能潛水的監(jiān)控裝置。
　　(5)安裝一套傳聲通話器(有線擴(kuò)音器)，救助人員的聲音可以傳到井下，被救助人員的聲音可以傳到井上。這樣被救助人員可以積極配合，同時還可以消除恐慌心理，更具人性化。
　　(6)根據(jù)上述建議，我委托加工廠制作了一個實(shí)物(如圖11所示)。
　　(7)建議公安和消防部門，搶險(xiǎn)救生部門配備本救助器。
　　
　　七、救助器的研制總結(jié)
　　
　　1　落井兒童救助器研制過程分為四個階段。各階段性能見表2。
　　2　從表2的四個階段可看出，每下一個階段都是對上一個階段主要缺點(diǎn)的改進(jìn)，以至于最后結(jié)果的結(jié)構(gòu)與最初想法完全不同，環(huán)式結(jié)構(gòu)的成果我認(rèn)為是基本達(dá)到了目的，它結(jié)構(gòu)簡單，兜胸方式最合理，使用安全可靠，速度快，承載能力高，是我追求的一種救助器。
　　3　本救助器上所設(shè)的轉(zhuǎn)軸12，使頭部可以折疊，即方便了平時存放，又可擴(kuò)大使用功能，當(dāng)水平使用時，可救助落水落冰的人，同時也可用于其他特定作業(yè)。
　　
　　落井兒童救助器的使用說明
　　
　　1　落井兒童救助器包括如表3所示的主件及輔件，使用前應(yīng)作好檢查，看是否完好。
　　2　到達(dá)井位后，首先測量一下井口直徑，并估計(jì)一下井深，調(diào)解撐帶片直徑，如救助拉桿的數(shù)量不足，可用竹木桿代替。
　　3　用穿帶片把雙折扁帶從下拉桿上口穿入，從下口拉出，拉出長度約為撐帶片直徑的1.6～1.7倍，并且試?yán)幌卤鈳嬷蛊魇欠窨煽?，然后把雙折扁帶分開，把扁帶纏在撐帶片的內(nèi)側(cè)，纏的方法可以有兩種：一種方法是用細(xì)皮筋，第二種方法是用細(xì)不干膠帶，第二種方法要注意的是：纏完后要從內(nèi)側(cè)用刀片把不干膠帶劃斷，否則很難拉斷。安裝好通話器及攝像頭。
　　4　連好主繩及輔繩，主繩連在扁帶的端部，輔繩連在逆止器的拉環(huán)上。接好第一根救助拉桿，并用緊桿器緊好，把救助器頭部放入井口，并不斷續(xù)接救助拉桿。并同時下放主繩及輔繩及監(jiān)控線，直到救助器頭部達(dá)到人體。
　　5　利用攝像頭的觀測，把撐帶片送到人體腰部以下，慢慢拉動主繩，再慢慢上提，反反復(fù)復(fù)仔仔細(xì)細(xì)操作，直到扁帶兜緊人體腋下胸部，再把人慢慢拉出井口，這一步是最關(guān)鍵的，需要細(xì)心和耐心。
　　6　隨著人體的上升，要不斷拆除救助拉桿，當(dāng)人出井口后，松開扁帶逆止器，就可把人松開了。
　　7　輔繩一般情況下不必操作，只有認(rèn)為兜得太緊，需要放松時才用。
　　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公斤的承重能力設(shè)計(jì)，如果用鋼絲繩替代。承重能力還可提高，用于特定作業(yè)場合。
　　10　使用中需注意的事項(xiàng)
　　(1)當(dāng)井壁不直或中間有縮小時，撐帶片調(diào)節(jié)好直徑后，不要用螺絲固定，使撐帶片有一定彈性，以適應(yīng)井壁的變化。
　　(2)當(dāng)井壁粗糙時，有可能磨斷皮筋，解決方法有三種：
　?、佼?dāng)用攝像頭看到皮筋被磨斷后，提上來重新?lián)Q一根。
　?、诟挠枚鄠€單根皮筋綁扎。
　　③改用細(xì)不干膠帶綁扎。
　　(3)主繩及輔繩不要相互纏繞，應(yīng)用細(xì)繩套捆在救助桿上。
　　(4)井下通話器等用電，最好使用低壓或電池，不宜使用市電(220V)。
　　(5)兜住小孩后需試提幾下，注意兜緊，防止中途掉下。
　　(6)一般情況下，應(yīng)同時用氧氣膠管向井下送氧