本文为通用工程参考方案，不使用特定客户资料，不代表已交付装置或实际效果承诺。磁驱能力、材料和轨迹参数需样机验证。封面为 AI 概念示意。

1. 把绘图过程变成体验

磁控沙盘在薄层沙面上放置钢球，由底部磁驱机构牵引形成纹路。观众可以选择图案、速度或一组生成参数，观察图形逐步出现。它与投影识别型互动沙盘不同，视觉内容主要来自真实球体和沙粒的运动，屏幕只是控制入口，不承担代替物理轨迹的演示。

本方案面向室内展厅、桌面艺术和科普展示，采用封闭浅沙盘、底部二维运动、磁耦合与本地内容调度。首期单球单轨迹，观众通过按钮或触摸界面选择预设图案。多球协同、观众直接触沙、任意手绘即时复现以及户外长期使用不作为基础能力，避免玩法超过已验证的机构和维护边界。

2. 需求与可验收目标

需求拆解

样机范围

3. 总体架构

flowchart TD

 A[观众选择] --> B[本地内容队列]

 B --> C[轨迹校验与调度]

 C --> D[运动控制器]

 D --> E[底部磁驱机构]

 E --> F[钢球与沙面纹路]

 G[位置与故障监测] --> D

 H[检修与防护状态] --> D

 C --> I[运行与维护日志]

内容、轨迹和执行分开。图案文件只有通过几何、速度、加速度和边界校验后，才进入待执行列表。观众调整的是有限参数，不是直接控制电机坐标。底部运动的到位并不自动证明钢球跟随成功，状态估计和实际球位观测需要明确能力边界。

4. 沙盘、磁耦合和传动结构

沙盘底板兼顾平整、刚度和磁路间隙。底板过厚会增加牵引难度，过薄又可能挠曲，使磁体间隙随位置变化。板材是否影响磁耦合、清洁剂相容性和长期变形都进入评审。磁体布置和钢球规格按真实样件验证，不凭磁体标称吸力推算隔着底板和沙层的动态牵引能力。

笛卡尔机构便于理解和维护，但在圆形盘内需要处理有效包络；极坐标机构适合圆盘布局，但中心附近的坐标变化和旋转线缆有不同难点。首轮根据形态选择，不在一个样机中同时追求两套路线。底部磁体通过独立支架固定，维护时可安全拆卸，磁体裸露与突然吸合风险不通过外观罩简单遮掩。

结构模块

沙粒不进入导轨、电机和传动箱，盘体与下部机械区之间设置隔离。清洁方案明确拆盖、取球、清沙与复位顺序，不能用空气随意吹扫导致粉尘进入机构或扩散到观众区。沙量用一致方法控制，长期补沙记录材料与量，避免不同批颗粒改变纹路和阻力。

钢球与沙面接触的速度、深度和受力会影响沟槽宽度。压得更深不一定更清晰，可能让球体越过交叉纹路时阻力增大并失去跟随。铺沙策略包括人工维护和经验证的归整轨迹，归整完成不等于恢复一张完全平整的白纸，玩法和图案库应适应真实介质状态。

桌面允许观众倚靠时，承重与抗倾倒单独验证。透明盖既是防护也是光学界面，灯光角度避免强反射遮住沙纹，支撑结构不产生可夹手缝隙。检修区与公众区清晰分开，磁体和活动部件只在授权维护时可接近。

5. 电机、传感与控制硬件

驱动选型以低速平顺、噪声、连续运行与动态跟随为主。步进电机适合成本受控的样机，但不能将开环步数当作真实位置证据；闭环驱动能发现部分位置误差，也不能直接观测钢球是否仍位于磁体上方。控制方案分清驱动位置、磁体位置和钢球位置三个对象，避免一种反馈覆盖所有失效。

硬件路线

线束布置按完整运动范围留足余量，极坐标结构对连续旋转是否需要滑环或限制角度先定义。电源与电机回路分支保护，逻辑主机不会因电机换向压降重启。电机及驱动热量隔离沙盘，不使底板热变形和胶接件失效；连续低速运行同样需要温升测试，而不是认为“转得慢就不发热”。

输入输出与异常

回零路线经过验证，不因为控制器不知道钢球在哪就高速拖动磁体横穿整盘。底部机构复位后，球位恢复采用明确维护步骤或已验证的搜索与捕获流程。未实现球位观测的基础机型，界面只显示机构运行状态，不把可能已经脱离的钢球显示为“正常绘图”。

6. 轨迹、交互与失效恢复

图案来源可以是参数曲线、人工设计路径或合法授权的图形数据，但进入设备前必须转换为连续可执行路径。路径处理限制边界、曲率、点间距、速度和加速度，避免把高密度图像轮廓直接逐点下发。交叉位置、尖角和狭窄回环先做实物验证，因为磁耦合与沙阻力不遵循理想画笔模型。

生成图案的参数范围固定，每组参数都不一定产生美观且可运行的路径，因此在内容制作阶段预览和验证。运行中观众选择新图案时进入队列，界面显示等待或当前完成进度。立即切换需要先完成可安全停止的路径段并建立新起点，不能把两个不相连的轨迹直接拼接，造成球体突然穿越已绘制区域。

stateDiagram-v2

 [*] --> Idle

 Idle --> Validate: 选择图案

 Validate --> Position: 路径通过

 Position --> Draw: 起点就绪

 Draw --> Finish: 图案结束

 Draw --> Pause: 观众暂停

 Pause --> Draw: 状态可信

 Draw --> Fault: 位置或温度异常

 Fault --> Service: 维护复位

 Service --> Idle: 检查完成

 Finish --> Idle: 清理或下一图案

断点恢复同时考虑机械位置和沙面状态。电机断电后位置可能变化，钢球也可能因外部振动离开轨迹；仅保留最后一条指令不足以保证续画。恢复前确认原点、当前位置、球位和图案版本，不能确认时结束本次任务并重新整理沙面。重复中断形成维护事件，不能以自动重试无限掩盖失步。

7. 数据与协议示例

{"schema":1,"job_id":"sand-demo-01","pattern":"spiral-r2","path_hash":"demo-path-ref","segment":1520,"motion_state":"paused","position_quality":"verified","ball_observed":false,"resume_allowed":false}

ball_observed=false表示没有实际球位证据，不一定表示钢球已丢失。协议把机构位置质量和球位观测分开，有助于界面诚实表达状态。命令带任务号、段序号与内容校验值，控制器确认缓冲接收和实际完成使用不同状态，主机不能将“发送成功”显示为“绘制完成”。

通信采用本地串口、CAN或以太网，依据控制器能力确定，不通过公网逐段控制。轨迹缓冲低于阈值时平滑减速，不能突然清空速度。内容包检查完整性与版本，更新只在空闲或维护状态进行。故障日志保存温度、驱动状态、段号和最近配置，便于判断是内容过激、磁耦合不足还是机械故障。

运行统计记录图案次数、持续时长和故障，不默认采集观众照片。交互终端设置合理的防误触和内容管理权限，公众只能选择已验证参数，不能在菜单中进入电机调试。维护操作保留授权与结果，恢复后逐项检查沙面、球体、盖板和机构。

8. 验收与长期运行

内容验证与沙面状态

图案库不仅保存路径，还保存适用沙材、球体规格、速度上限、起点和推荐的前置沙面状态。同一路径在刚整理的沙面和已经绘制多轮的沙面上，阻力和效果可能不同。内容验证覆盖两种状态以及最不利交叉纹路，必要时在图案间插入经过验证的整理路径。整理过程本身也作为可观看内容设计，不假装能够瞬间清空所有物理痕迹。

圆形边界附近的轨迹留出钢球半径、控制误差和结构围边的余量，不能只检查磁体中心在盘内。极坐标路线在靠近中心时需要特别处理速度和方向变化，笛卡尔路线则检查边角与可达范围。路径细分太密可能产生不均匀速度，太稀则改变曲线形态，因此离散误差和运动平滑一起验证。导入图案在预览阶段显示起止、移动与实际绘图的区别，避免观众选择后出现无法解释的穿线。

跟随判定与维护恢复

基础机型没有球位传感时，开场用低速测试图案确认跟随，并通过现场观察判断异常。增加视觉后，算法仍需面对沙纹反光、盖板污迹和球体遮挡，不能因为看见某个亮点就确认钢球位置。球位质量包括可信、未知和丢失，未知时暂停或转入维护，不自动沿高速度路径追赶。底部机构与钢球脱耦后，捕获程序只有经过不同位置和沙厚验证才允许使用，否则交由人工复位。

取球和维护遵循停机、隔离、确认磁体状态和开启盖板的顺序。维护人员知道磁体可能产生的突然吸合和夹持，工具和替换球体不随意放在开放磁路附近。更换底板、磁体或钢球后重新验证间隙和牵引窗口，不能只确认它们尺寸相同。球体表面磨损和材料污染也可能改变纹路，设定清洁和检查方式，避免使用会损伤材料或污染沙层的处理。

运行数据与体验回归

日常日志记录当前图案、运行时长、暂停、回零、温度和维护结果，故障统计与观众主动暂停分开。内容更新需要保留上一版本，先在非开放时段完成实际绘图，再放入公众列表。远程管理可以同步合法内容和状态，但不把未经校验的任意路径直接下发到运行中的机构。断网不影响当前图案，断电恢复则先进入检查状态。

长期测试同时观察桌体共振、传动张力、沙面效果和透明盖可读性。昼夜环境光变化可能让同样的纹路看起来完全不同，现场回归包含实际灯光和观看距离。声音评价记录背景与设备工况，避免以空展厅短时安静数据承诺任何场地都无声。产品化通过稳定的物理条件与内容窗口保持品质，而不靠不断修改速度掩盖机械退化。

验收矩阵

风险与控制

9. 周期与人员

阶段计划

人员职责

产品化首先建立稳定的材料组合和图案工艺窗口，再增加生成式内容和互动参数。图案越复杂，越需要尊重真实介质和机构边界。每日开场确认钢球位置、沙量、盖板与异常记录，结束后检查磨损和清洁情况，才能让装置长期保持安静、连续且可理解的表现。