# Le raffinement d'un système haptique pour la réalité virtuelle

Gilles Bailly, Clément Alberge, Sinan Haliyo, Philippe Gauthier, Premankur

Banerjee, Aline Baudry, Samuel Hadjes

► To cite this version:

Gilles Bailly, Clément Alberge, Sinan Haliyo, Philippe Gauthier, Premankur Banerjee, et al. Le raffinement d'un système haptique pour la réalité virtuelle. IHM'25 - 36e Conférence Internationale Francophone sur l'Interaction Humain-Machine, AFIHM; Université de Toulouse; ENAC, Nov 2025, Toulouse, France. 10.1145/3765712.3765721. hal-05294895

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# "The refinement" of a Haptic Solution for Virtual Reality
## Le raffinement d'un système haptique pour la réalité virtuelle

Gilles Bailly

gilles.bailly@sorbonne-universite.fr
Sorbonne Université, CNRS, ISIR
Paris, France

Clément Alberge

Sorbonne Université, CNRS, ISIR
Paris, France
clement.alberge@sorbonne-universite.fr

Sinan Haliyo

Sorbonne Université, CNRS, ISIR
Paris, France

Philippe Gauthier

Sorbonne Université, INSERM, CNRS,
ISIR
Paris, France

Premankur Banerjee

Sorbonne Université, CNRS, ISIR
Paris, France

Aline Baudry

Sorbonne Université, CNRS, ISIR
Paris, France

Samuel Hadjes

Sorbonne Université, CNRS, ISIR
Paris, France

### Résumé

CoVR is a haptic solution for virtual reality. It consists of a robotic column capable of physically interacting with users, enabling actions such as all-body contact, pulling, pushing or transporting users in the virtual environment. In this article, we present CoVR#2, a refinement of CoVR by improving its robustness, performance and flexibility. We describe our refinement experience through technical evaluations and three user studies.

### Résumé

CoVR est une solution haptique pour la réalité virtuelle. Elle consiste en une colonne robotique capable d'interagir physiquement avec les utilisateurs, permettant des actions telles que le contact sur tout le corps, tirer, pousser ou le transport réel dans l'environnement virtuel. Dans cet article, nous présentons CoVR#2, un raffinement de CoVR en améliorant sa robustesse, sa puissance et sa flexibilité. Nous décrivons notre expérience de raffinement au travers d'évaluations techniques et de trois études utilisateurs.

### CCS Concepts

* Human-centered computing → HCI theory, concepts and models.

### Mots clés

Virtual Reality, Haptics, Interaction techniques, Refinement

### Mots clés

Réalité virtuelle, Haptique, Techniques d'interaction, Raffinement

### Reference Format:

Gilles Bailly, Clément Alberge, Sinan Haliyo, Philippe Gauthier, Premankur Banerjee, Aline Baudry, and Samuel Hadjes. 2025. "The refinement" of a Haptic Solution for Virtual Reality. In *IHM '25 : Articles Scientifiques de la*

36ᵉ conférence Francophone sur l'Interaction Humain-Machine, Novembre 4-7,
2025, Toulouse, France, 12 pages. https://doi.org/10.1145/3765712.3765721

## 1 Introduction

De nombreuses techniques d'interaction sont proposées en IHM, mais leur développement s'arrête souvent à des preuves de concept testées en laboratoire [8]. Ceci est d'autant plus probable que ces techniques d'interaction s'appuient sur des technologies coûteuses, difficile à déployer ou pas suffisamment mature. Pour autant, « *le gros du travail et de la créativité pour l'innovation est dans l'augmentation et le raffinement* » des preuves de concept [8]. C'est pour cette raison que Bill Buxton souligne l'importance d'encourager le raffinement (« *Rewarding the Art of Refinement* ») dans sa théorie du « *long nez de l'innovation* » [8].

Nous nous concentrons sur le raffinement des solutions haptiques pour la réalité virtuelle (RV). Ces solutions sont devenues un enjeu majeur depuis la démocratisation des casques de RV et nous observons un foisonnement de solutions à la fois en IHM et en RV [5, 7]. Parmi ces solutions, de nombreuses restent à l'état de preuve de concept [5, 7]. Par exemple, TilePop [19] est une arène de réalité virtuelle dont le sol peut changer de forme pour délivrer du retour kinesthétique. Cependant, le mécanisme utilisé nécessite près d'une minute pour se rétracter. Une autre preuve de concept est CoVR [6]. C'est une colonne mobile attachée à un robot cartésien avec deux axes horizontaux au plafond qui se déplace dans une arène (Figure 1). CoVR peut, par exemple, tirer, pousser ou déplacer un utilisateur. Cependant, la vidéo de la preuve de concept montre plusieurs limitations. Par exemple la colonne tend à osciller (et ne pas rester totalement perpendiculaire au sol) et est moins rapide que la marche d'un utilisateur. Ces limitations ont été confirmées par les auteurs de CoVR. Ils ont également indiqué le manque d'outils logiciels pour faciliter l'intégration de CoVR dans une application existante.

Dans cet article, nous proposons CoVR#2, un raffinement de CoVR en améliorant sa robustesse, sa performance et sa flexibilité. Plus précisément, nous améliorons :

IHM '25, Toulouse, France
2025. ISBN 979-8-4007-1522-8/25/11
https://doi.org/10.1145/3765712.3765721
<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>FIGURE 1: En haut à gauche, différentes interactions permises par CoVR comme pousser, s'adosser, être tiré ou être transporté. En bas à gauche, la preuve de concept de CoVR [6]. À droite, CoVR#2 plus robuste, plus performante et plus flexible.</figcaption></figure>

- la robustesse afin de garantir la confiance de l'opérateur et sécuriser les participants. Nous avons collaboré étroitement avec des mécaniciens et des roboticiens permettant un déploiement réussi dans une situation faiblement contrôlée (faible participation de l'opérateur) qui n'était pas envisageable avec CoVR.

- la performance. Une évaluation technique montre que CoVR#2 est plus rapide, plus précise et moins bruyante que CoVR. CoVR#2 supporte également des poids (vertical) et des forces (horizontal) plus importants.

- la flexibilité. En plus, des améliorations matérielles ci-dessus, CoVR#2 offre une arène plus grande, peut intégrer deux colonnes (au lieu d'une), et permet des contrôles logiciels avancés (contrôle en position, en vitesse, en force, à distance). En particulier, CoVR#2 fournit au moins sept niveaux d'inertie là où COVR était limité à un. Ces propriétés permettent de considérer davantage d'applications (p.ex. escape game) et d'expériences utilisateur.

Nous décrivons CoVR#2 et notre expérience de raffinement à travers des évaluations techniques et 3 études utilisateurs.

## 2 État de l'art

Les solutions haptiques pour la RV peuvent être organisées en trois catégories [6] : (1) interface haptique à retour d'efforts, (2) l'exploitation d'objets physiques et (3) hybrides, où un robot déplace ou déforme des objets physiques.

La première classe de solutions simule la force d'interaction d'un objet physique. Il s'agit de systèmes robotiques décrits communément sous l'appellation **interface haptique**. Ces interfaces font généralement face à un compromis entre la qualité du retour kinesthésique et les dimensions de l'espace de travail. Par exemple, des dispositifs tels que le *Haption Virtuose* ou le *PHaNToM* pour le bureau ou le *Haption Scale1* [12] ou le *Spidar* [17] pour des arènes

produisent un retour haptique important. Les controleurs augmentés (p.ex. [4, 10]) produisent un retour kinesthésique moins important, mais peuvent être utilisés dans un large environnement. Tous ces dispositifs partagent le même inconvénient : L'utilisateur est contraint d'interagir *indirectement* avec l'environnement virtuel à travers un outil, matérialisé par une poignée. Le dispositif ne peut pas venir à la rencontre de l'utilisateur. Enfin, il y a les gants (p.ex. [2]) qui sont des dispositifs portés donc adaptés pour des grands environnements. Cependant, ils peuvent s'avérer contraignants et leur retour kinesthésique est limité, en particulier au niveau de la paume de la main [10].

La seconde classe de solutions **exploite des objets physiques**, appelés «*props*», c.-à-d. des objets bon marché ou basse fidélité qui sont disposés dans l'arène [14]. Cette approche a l'avantage de laisser les utilisateurs explorer et manipuler des vrais objets physiques, mais impose plus de contraintes à l'opérateur (p. ex. positionner les objets aux bons endroits). Certaines approches visent à réduire ces contraintes comme l'utilisation d'acteurs humains [9, 13] et/ou l'utilisation d'illusions visuo-haptiques [3, 16].

La troisième classe de solutions, *Robotic Shape Displays*, peut être considérée comme une **approche hybride**, car elle utilise un dispositif robotique qui exploite des objets physiques (props). Le robot déplace ces objets afin qu'ils recouvrent les objets virtuels correspondants. De nombreuses solutions ont récemment été proposées, mais elles délivrent généralement un retour de force faible (p.ex. [21]) ou médium (p.ex. [18]) ou contraint les mouvements de l'utilisateur. Par exemple, le projet *Lobbybot* [1] utilise un bras robotique pour manipuler des props recouvrant des éléments d'un tableau de bord virtuel. Mais l'utilisateur est assis et ne peut pas se déplacer. CoVR [6] est une solution appartenant à cette dernière catégorie pouvant produire une force importante (environ 100N) et où l'utilisateur est libre de se déplacer, sans être instrumenté, dans une arène de $30m^3$. Grâce à une colonne robotisée attachée
au plafond, CoVR permet des interactions sur tout le corps de l'uti-
lisateur. Ce dispositif permet de tirer, pousser et même déplacer
l'utilisateur. Un aspect important est la modularité, où un opérateur
peut facilement ajouter et enlever des objets physiques bon marché
(props) avec lesquels les utilisateurs vont pouvoir interagir.

CoVR a donc de nombreux avantages pour augmenter l'immer-
sion en réalité virtuelle. Mais, comme les autres solutions présentées,
CoVR reste une preuve de concept testée en laboratoire. Il n'est donc
pas clair quelle est son niveau de maturité technologique (TRL)
et quelles améliorations sont nécessaires pour que la solution soit
véritablement adoptée.

3 CoVR#2

Nous décrivons d'abord les raisons qui nous ont motivées à
raffiner CoVR. Nous présentons ensuite CoVR#2, le résultat de ce
raffinement.

## 3.1 Maturité technologique de CoVR et limitations

Nous avons échangé avec les trois auteurs de CoVR pour mieux comprendre le niveau de maturité de la plateforme. Les auteurs ont indiqué que le niveau de TRL était de 4 : *Validation en laboratoire du composant ou de l'artefact produit.* Ils ont également mis en évidence 3 types de limitations qui bloquaient la montée en TRL :

- Robustesse. La réalisation de CoVR s'appuie sur des matériaux de récupération ne permettant pas un usage intensif en toute sécurité. De plus, la colonne n'est pas complètement stable ce qui est visible dans la vidéo de la preuve de concept avec des oscillations lors des accélérations et décélérations de la colonne. Le résultat est que les auteurs de CoVR n'osent pas exposer le système lors d'événement auprès du grand public où le comportement des utilisateurs et des spectateurs est moins prévisibles que lors d'expériences contrôlées en laboratoire.

- Flexibilité. Les auteurs de CoVR ont contacté un industriel français dans le domaine des IHMs pour étudier la possibilité d'un transfert industriel. L'échange avec l'industriel a mis en évidence deux aspects à traiter : (1) développer davantage de scénarios pour illustrer le potentiel du système et convaincre les clients potentiels ; (2) développer des outils logiciels pour faciliter l'intégration de CoVR dans les projets (Unity) existants. Le coût de mise œuvre apparaissait un frein pour l'industriel qui doit pouvoir créer rapidement des démonstrateurs pour les clients potentiels.

- Performance. Les auteurs souhaitaient renforcer les points forts de CoVR (sa force) et adresser les points faibles (vitesse, précision et bruit) pour convaincre du potentiel de cette solution. Concernant la force, le déplacement de charges lourdes, comme un utilisateur, pousser CoVR dans ses limites. Plus important, CoVR ne permet pas de contrôler le niveau de force. Par exemple, il n'est pas possible de manipuler un chariot virtuel où l'utilisateur ressentirait que celui-ci est plus ou moins charge. Concernant, la vitesse, la colonne se déplace à une vitesse de marche humaine modérée (1.1m/s). L'objectif serait que la colonne se déplace plus vite qu'un utilisateur en marche rapide (>1.5ms) pour que la colonne soit toujours en

position avant l'arrivée de l'utilisateur. La précision actuelle (10mm) peut entraîner des incohérences visuo-haptiques et devrait être en dessous de 2-6mm (Two-point discrimination [15]). Enfin le bruit de déplacement de la colonne (65db) est perceptible par les utilisateurs même avec un casque et de la musique.

Ces échanges laissent apparaître des limitations de CoVR ne permettant ni de réaliser des démonstrations pour le grand public ni de convaincre des investisseurs potentiels. Notre objectif est donc de raffiner CoVR. Le raffinement de preuves de concept est important. Par exemple, Bill Buxton souligne l'importance de «Rewarding the Art of Refinement» (Récompenser l'art du raffinage) dans sa théorie du «Long Nose of Innovation» (Long nez de l'innovation) [8]. Nous nous inscrivons dans cette dynamique et présentons CoVR#2.

3.2 CoVR#2

CoVR#2 est constitué d'un portique mobile attaché par un système de crémaillère (Figure 1). Le portique mobile comporte un chariot mobile dont le mouvement est perpendiculaire à celui du portique mobile. La structure est un assemblage de profilés en aluminium Bosch Rexroth 90x90mm. Pour la partie RV, nous avons opté pour un Oculus Quest 2 (puis 3) qui permet de travailler sans fil, sans d'autre dispositif de suivi et surtout intègre une API de suivi et d'affichage des mains robustes, essentiel pour l'interaction tangible. CoVR#2 améliore CoVR selon 3 dimensions :

3.2.1 Robustesse.

*Structure.* La nouvelle structure a une capacité de portage de 150 kg et l'utilisateur peut pousser fortement la colonne en fonction des scénarios. Elle repose sur des profilés Bosh 90 mm attachés au plafond et aux murs avoisinant. Ceci permet de réduire les vibrations de CoVR dont la structure était plus élastique et posée sur le sol.

*Gestion des collisions.* La solution est similaire à celle de CoVR [6] qui s'appuie sur des algorithmiques de planification de trajectoire et d'évitement d'obstacle, en fonction de la position et de la vitesse instantanée de l'utilisateur.

*Protocoles de communication.* CoVR reposait sur des protocoles de communication non-standard. L'architecture de CoVR#2 repose sur trois couches. Une première couche de communication bas niveau électrotechnique synthétise un contrôleur en boucle fermée des moteurs. Cette couche s'appuie sur CAN (*Controller Area Network*), un bus de donnée série qui couvre les couches matérielles du modèle OSI (*Open Systems Interconnection*). Ce protocole a été choisi, car il est robuste et permet un débit de 1 Mbits/s. De plus, il est répandu dans l'industrie et est évolutif.

Au-dessus, le protocole CANopen couvre les couches hautes du modèle OSI. Chaque périphérique possède un dictionnaire de paramètres (*Service Data Object*) et échange en temps réel des données (*Process Data Object*). La commande en boucle fermée des moteurs est implémentée dans CANopen. La fréquence d'échantillonnage est de 1 kHz avec une latence négligeable, inférieure à une période.

Finalement, un superviseur central implémente la dernière couche.
Il reçoit les données capteurs en temps réel, comme les encodeurs
des moteurs, des dispositifs Arduino fait main ou un smartphone (3).
<table><caption>TABLE 1: Cette table résume les différences matérielles, logicielles et scénaristiques entre CoVR et CoVR#2.</caption><thead><tr><th></th><th></th><th>CoVR</th><th>CoVR#2</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="7">Matériel</td><td>Taille</td><td>4x4m<sup>2</sup></td><td>7x5m<sup>2</sup></td></tr><tr><td>Transmission</td><td>courroie (x̃, ỹ)</td><td>crémaillère (x̃), courroie (ỹ)</td></tr><tr><td>Capture des mains</td><td>Optitrack</td><td>Oculus Quest 2 & 3</td></tr><tr><td>Vitesse large distance</td><td>1.1m/s</td><td>2m/s (ỹ), 1.5m/s (x̃)</td></tr><tr><td>Précision</td><td>10mm</td><td>0.002mm</td></tr><tr><td>Bruit</td><td>65db</td><td>55db</td></tr><tr><td>Force verticale</td><td>800N</td><td>1600N</td></tr><tr><td>Force horizontale</td><td>100N</td><td>1500N</td></tr><tr><td rowspan="3">Logiciel</td><td>Protocoles</td><td>non-standard</td><td>MQTT</td></tr><tr><td>Couplage</td><td>Manuel</td><td>Intégré à Unity</td></tr><tr><td>Commande</td><td>position</td><td>position, vitesse, effort</td></tr><tr><td rowspan="2">Interaction et scenarios</td><td>Interaction à distance</td><td>Non</td><td>Oui</td></tr><tr><td>Interaction passive</td><td>Non</td><td>Oui</td></tr></tbody></table>

Le protocole utilisé est MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Avec ce protocole, qui se présente comme un service réseau, les clients peuvent s'abonner ou publier des informations à une fréquence jusqu'à 100 Hz. Il introduit la notion de qualité de service lors des échanges de donnée en permettant d'ajuster sur chaque message sa priorité (rapidité ou fiabilité de la réception). Un réseau en Wifi 6 dédié garantit la qualité de la communication sans fil.

### 3.2.2 Performance.
Les différences de performance entre CoVR et CoVR#2 sont résumées dans la table 1. La méthodologie d'évaluation est identique à celle utilisée dans l'article original [6] pour faciliter la comparaison.

**Vitesse.** La vitesse de la colonne est maintenant supérieur à la vitesse de marche rapide d'un utilisateur (1.5 m/s). Les vitesses maximums des deux axes ne sont pas égales : 2 m/s (axe Y) et 1.5 m/s (X), contrairement à CoVR (1.1 s sur les 2 axes). Ceci signifie que l'on peut envisager des scénarios avec plus de liberté pour l'utilisateur sans que la colonne soit en retard. Selon les scénarios, les limites de vitesse maximum de chaque axe peuvent être configurées dynamiquement.

**Précision.** Il y a souvent un compromis entre vitesse et précision. Pour autant, la qualité des matériaux, des systèmes de transmission et des moteurs a permis d'obtenir une précision de 0.002 mm (au lieu de 10 mm; gain de 5000) qui est nettement au dessus de la précision kinesthesique du doigt (4-6 mm [15]).

**Bruit.** Le bruit de CoVR#2 est de 55 db. À proximité de la colonne en déplacement, ce n'est pas suffisant pour ne pas entendre un bruit ambiant. Cependant, ce gain de 10 db permet aux utilisateurs portant un casque de VR recouvrant les oreilles avec du son de ne plus être généré par le bruit de la colonne.

**Force.** En renforçant la structure, CoVR#2 supporte une force 50% plus importante à la fois horizontalement (1500 N vs. 1000 N) et verticalement (1600 N vs. 800 N). Ceci permet en particulier de transporter l'utilisateur de manière beaucoup plus fluide et rapide.

### 3.2.3 Flexibilité.
Nous avons augmenté la flexibilité de CoVR. D'une part en élargissant les possibilités interactionnelles en réduisant les

contraintes matérielles (taille de la structure, nombre de colonnes, réversibilité) et en offrant plus de contrôles de la colonne (position, vitesse, force). D'autre part, en facilitant le développement de contenu pour cette plate-forme avec un studio numérique et un jumeau numérique.

**Taille de structure.** L'arène couvre une surface de 7x5 m² (plus de double de CoVR). Ceci correspond à environ 6 pas sur le petit coté. L'espace de travail du chariot robotique est de 6,5x4,5 m². La taille de l'arène est le résultat d'un compromis entre l'espace disponible et les capacités cinématiques du système robotique. Il est important que l'utilisateur puisse se déplacer «librement» pour renforcer le sentiment de présence.

**Capacité d'évolution.** CoVR#2 a été conçu pour déplacer plusieurs colonnes grâce à une transmission pignon/crémaillère avec le moteur intégré au portique mobile. Plusieurs portiques mobiles seraient alors posés (et contrôlés) sur la structure principale grâce à sa transmission à crémaillère. Plusieurs colonnes permettraient de stimuler un utilisateur de plusieurs directions en même temps ou de favoriser les scénarios collaboratifs (2 utilisateurs dans l'arène, chacun interagissant avec une colonne). Mécaniquement, CoVR ne pouvait pas avoir plus d'une colonne à cause d'une transmission totalement en courroie.

**Réversibilité intrinsèque.** La réversibilité intrinsèque est la propriété d'un robot de se laisser manipuler par une force extérieure (ici l'utilisateur), sans que le robot soit alimenté. Cette propriété permet à l'utilisateur de déplacer des objets, comme une porte

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>FIGURE 2: Corrélation entre la force appliquée sur la colonne et l'intensité du courant capturée sur le moteur d'axe Y</figcaption></figure>
coulissante (Figure 6). De plus, elle permet d'estimer la force de l'utilisateur sur l'axe Y de la colonne (l'axe avec la courroie), ceci en mesurant le courant induit dans le moteur qui est proportionnel à la force appliquée par l'utilisateur (voir Figure 2). Sur l'axe X (crémaillère), cette propriété n'est pas disponible car le seuil de friction statique est trop important. Par conséquent, CoVR#2 permet une manipulation manuelle de la colonne dans une direction, et affiche une rigidité importante dans l'autre, sans besoin d'une surcouche en commande.

**Contrôle.** CoVR#2 reçoit des consignes en position, en vitesse ou en force. La commande implémente les profils de contrôle moteur du standard international CANopen Cia 402 (https://www.can-cia.org/can-knowledge/canopen/cia402/). Le contrôle en force est un vrai atout par rapport à CoVR car il permet de maîtriser la force que celui-ci applique à l'utilisateur. De plus, grâce à la propriété de réversibilité, l'inertie ressentie (résistance au mouvement de la colonne à la force de l'utilisateur) peut être contrôlée dynamiquement. En pratique, nous appliquons une commande en force en dessous du seuil minimum pour déplacer la colonne (c.-à-d., inférieur à la valeur de la friction statique) qui a pour conséquence que la colonne ne se déplace pas sans une poussée supplémentaire. Lorsque la force appliquée est dans le sens du mouvement de la colonne, donc assistive, l'inertie apparente est réduite, car la poussée nécessaire pour la mettre en mouvement est diminuée (la colonne paraît plus légère), sinon l'inertie apparente est plus importante (la colonne paraît plus lourde). Ce type de contrôle en force permet des scénarios où l'utilisateur ressent différentes inerties, par exemple ressentir qu'il déplace des chariots de masses différentes (voir section 5.1).

**Studio numérique et jumeau numérique.** CoVR et CoVR#2 combinent des technologies hétérogènes. Nous avons donc développé un studio numérique pour accéder aux fonctionnalités de CoVR#2, faciliter son intégration dans des applications Unity par des développeurs novices et développer des applications pour CoVR#2 sans disposer de la plateforme physique (par exemple pour des projets étudiants). Le studio numérique contient un **jumeau numérique** de CoVR#2.0 [11] où le système physique et sa représentation virtuelle sont couplés avec une interaction bidirectionnelle. En particulier, même le déplacement manuel de la colonne (grâce à reversibilité mécanique) met à jour le modèle virtuel. De plus, un système de log préserve l'historique du système ainsi que les interactions de l'utilisateur. En mode déconnecté (CoVR#2 éteint), le jumeau numérique utilise le moteur physique de Unity pour simuler de façon réaliste les déplacements de la colonne dans le logiciel. La vitesse de déplacement, ainsi que les profils d'accélération sont respectés. L'erreur de suivi entre les modes s'est avérée négligeable, de l'ordre du centimètre.

# 4 Étude 1 : Validation contrôlée du ressenti de la force

Nous avons réalisé une étude pour (1) vérifier la capacité des utilisateurs à ressentir des inerties différentes car elle peut dépendre du dispositif et de la valeur de l'inertie et (2) valider notre mode de contrôle de la force (réversible; boucle ouverte) en le comparant à un mode utilisant un capteur de force (Capteur; boucle fermée). Notre mode, Réversible, a l'avantage de ne pas nécessiter d'ajout

de capteurs sur la colonne (dont l'emplacement du capteur peut dépendre du scénario) et d'avoir une implémentation logicielle simple en boucle ouverte (en comparaison avec une boucle fermée).

**Participants et appareil.** 12 participants (6 femmes) âgés entre 23 et 32 ont été volontaires pour cette étude. La scène virtuelle est illustrée Figure 4 et contenait deux chariots éloignés de 0.2m et d'une zone d'attente. Nous avons installé un capteur de force sur la colonne pour valider que la réversibilité est suffisante pour créer des sensations d'inerties différentes. Notre hypothèse est qu'un capteur de force n'est pas utile sur l'axe Y qui est intrinsèquement réversible.

**Facteurs.** Nous avons considéré 7 niveaux d'inertie entre 0.43 N et 3.03 N. À chaque essai, l'utilisateur compare un **couple d'inertie** de deux inerties consécutives (le cas le plus difficile). Nous avons aussi comparé deux **modes de contrôles** : Capteur (boucle fermée) et Réversible (boucle ouverte). Dans le mode Capteur, le contrôle de la force est réalisé à partir du capteur de force. Dans le mode réversible, nous appliquons une force assistive ou résistive en fonction du sens de manipulation, déterminé grâce au capteur de position interne à la colonne.

**Procédure.** La tâche consistait à manipuler successivement les deux chariots virtuels et d'indiquer oralement lequel était le plus lourd. Les utilisateurs pouvaient, en cas de doute, manipuler plusieurs fois les deux chariots avant de répondre. Physiquement, la colonne recouvrait le chariot virtuel qui allait être manipulé. Il y avait 15 secondes entre les manipulations des chariots pour laisser le temps à la colonne de se déplacer. Plus le délai est grand, plus la tâche est difficile car mobilise davantage la mémoire du participant. La durée de l'expérience était de 25 minutes.

**Design.** Le design est intra-participant. Il y a deux blocs. Dans chaque bloc, chaque participant teste toutes les combinaisons de facteurs dans un ordre pseudo-aléatoire. Le chariot le plus lourd était choisi aléatoirement à chaque essai. En résumé le design était : 12 participants × 2 blocs × 7 paires d'inertie × 2 modes = 336 essais.

**Résultat et discussion.** Les résultats sont illustrés Figure 4. La précision est de 92% ($\sigma$ = 8.04). ANOVA indique aucune différence significative entre les couples d'inertie et les modes de contrôle ($P$ > 0.05). Nos résultats suggèrent donc que notre mode réversible fonctionne correctement et que les participants peuvent discriminer au moins 7 niveaux d'inertie précisément. Les modes capteur et réversible donnent des résultats équivalents. Notez que la tâche était difficile dans la mesure où (1) les inerties considérées étaient consécutives et (2) il y a un temps de 15s entre deux comparaisons.

# 5 Étude 2 : Démonstration de CoVR#2 et expérience globale des utilisateurs

Nous décrivons le retour d'expérience des démonstrations de CoVR#2 auprès du grand public. Les interactions de l'utilisateur sont indiquées en **gras**, tandis que les déplacements et interactions offertes par CoVR#2 sont en **italique**.

## 5.1 Démonstrations

5.1.1 Savez-vous pêcher ? Cette démonstration fait ressentir aux participants la force importante de CoVR#2 sans prendre le moindre
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>FIGURE 3 : Gauche : Studio numérique avec la vue virtuelle (rouge) et le contrôle (orange) du jumeau numérique ; Droite : interaction multi-dispositifs (violet).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>FIGURE 4 : À gauche la scène virtuelle de l'étude 1. À droite, la précision en fonction du niveau d'inertie et du mode de contrôle (bleu : mode réversible; orange : mode capteur).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>FIGURE 5 : Scénario : Savez-vous pêcher ? Un poisson se déplace de gauche à droite (A, B puis C) tirant avec force sur la canne à pêche. Lorsque le poisson est face à l'utilisateur, celui-ci doit lever la canne à pêche malgré la résistance pour rapprocher le poisson. Gauche : Vue virtuelle. Centre : Vue réelle. Droite : Gros plan sur le «props» représentant la canne à pêche.</figcaption></figure>

risque (c.-à-d. collisions) pour les participants dont le comportement peut s'avérer inattendu.

Les utilisateurs se trouvent sur un pont de pêche (figure 5) et voient un poisson imaginaire<fnref n="1" />. Une canne à pêche est disponible sur le pont virtuel et dans l'arène (figure 5-droite). Dès que la canne

<footnote n="1">1. Dans la version de la démonstration présentée, nous avons utilisé un requin, car c'est un animal puissant. Depuis, il a été remplacé par un gros poisson imaginaire pour ne pas laisser suggérer que nous cautionnons la pêche au requin.</footnote>
(c.-à-d. une simple tige en plastique) à pêche est en main, le poisson attrape l'appât dans la scène RV. Les utilisateurs sont alors immédiatement tirés vers le poisson à travers la canne à pêche. En effet, la canne physique est attachée à la colonne par une corde et un ressort. La colonne se déplace exactement comme le fil de pêche. La force de traction (amplitude et direction) ressentie est alignée sur le comportement du poisson. La force de traction est choisie de manière à ce qu'elle soit maximale sans risquer que les utilisateurs bougent trop (et tombent dans l'eau). Lorsque le poisson nage légèrement au-dessus de l'eau, les utilisateurs doivent effectuer un geste de traction spécifique afin de rapprocher le poisson du pont. Le geste consiste à déplacer la canne à pêche vers le haut, comme le montre la figure 5-B. Si l'utilisateur réussit ce geste trois fois, le poisson atterrit sur le pont de pêche derrière lui. La colonne s'arrête alors de bouger et la démonstration prend fin.

### 5.1.2 Avez-vous peur du vide?
Cette démonstration fait ressentir la force de COVR#2 à son contact. Les moteurs de COVR#2 sont désactivés mais les participants peuvent toujours pousser et déplacer la colonne grâce à la réversibilité intrinsèque (voir section 3.2.3). De plus, nous voulions illustrer le potentiel de COVR#2 pour les jeux sérieux (plutôt qu'un simple jeu) : tester son appréhension du vertige.

Les utilisateurs se trouvent dans le sous-sol d'un gratte-ciel et voient un ascenseur en face d'eux. Ils peuvent toucher la porte de l'ascenseur, attraper la poignée (Figure 6-B) et la coulisser pour l'ouvrir manuellement (Figure 6-B). Une fois à l'intérieur de l'ascenseur, les utilisateurs doivent refermer la porte. La porte virtuelle est toujours alignée sur la position de la porte réelle, le moteur lui-même jouant le rôle de capteur de position. La porte réelle consiste simplement en un morceau de bois avec une poignée physique de chaque côté. Une fois la porte fermée, l'ascenseur monte automatiquement. Les utilisateurs peuvent alors voir la vue de la ville à l'extérieur grâce à une fenêtre transparente sur la droite. L'ascenseur s'arrête au dixième étage, à l'étage 20 et au sommet du gratte-ciel (étage 50). Au dernier étage, deux fines planches permettent de tester les limites des utilisateurs. À chaque étage, les utilisateurs doivent ouvrir manuellement les portes de l'ascenseur pour découvrir la hauteur. S'ils ne se sentent pas à l'aise, ils peuvent arrêter le jeu. Sinon, ils retournent dans l'ascenseur, ferment la porte de l'ascenseur pour atteindre le prochain étage cible.

### 5.1.3 Les trois pierres magiques.
Les participants manipulent librement plusieurs objets virtuels, alors qu'un seul objet physique est disponible. Dans le monde virtuel, les utilisateurs doivent transférer trois pierres du portail magique rouge à l'un des deux portails magiques bleus. Ils insèrent leur main dans le portail rouge pour attraper la première pierre (Figure 7). Ensuite, ils suivent une passerelle au-dessus de la lave pour insérer la pierre dans le portail bleu choisi et la lâchent. La pierre disparaît immédiatement. Les utilisateurs répètent cette opération trois fois.

Dans le monde physique, une seule boule physique sert pour les trois pierres et une seule planche de bois sert pour trois murs. Deux trous circulaires dans la planche servent pour le portail bleus et rouges ainsi les utilisateurs ressentent l'effet haptique des bords des portails lorsqu'ils mettent leur main à l'intérieur. Nous aurions pu utiliser un seul trou pour les deux portails, mais nous voulions renforcer le sentiment d'interagir avec différents éléments et avons

donc fait deux trous à des hauteurs différentes. La boule est initialement dans une boîte attachée à la colonne (Figure 7). Lorsque les utilisateurs marchent, la colonne se déplace vers le portail bleu le plus proche de l'utilisateur afin qu'ils puissent libérer la balle dans cette même boîte. La colonne revient ensuite, avec la balle, à l'emplacement du portail rouge.

### 5.1.4 Station spatiale.
Les participants sont dans une station spatiale en panne qu'ils doivent remettre en marche (Figure 8). Ils doivent récupérer des cellules d'énergie dans différentes salles et les charger dans un chariot initialement vide. Les utilisateurs poussent et tirent le chariot de salles en salles où il se remplit progressivement et devient de plus en plus lourd. Le chariot est enfin posé sur un générateur et la lumière se rallume. Le chariot virtuel correspond à la colonne COVR#2 pour laquelle l'inertie est modifiée dynamiquement pour donner l'impression que le chariot s'alourdit jusqu'à être difficile à pousser.

## 5.2 Études pilotes et calibration

Les calibrations des différentes démonstrations ont été réalisées avec les auteurs à l'aide de la méthode des essais-erreur. Nous avons aussi réalisé une étude pilote avec 10 participants (5 femmes, Age = 26.2 +/- 2.97) pour quantifier la cohérence visuo-haptique des scénarios qui s'y prêtaient. L'évaluation durait entre 5 et 10 minutes en fonction du scénario et du participant. L'évaluation s'appuyait sur un questionnaire (voir l'annexe) avec une échelle de Likert (1 : pas du tout ; 7 : Tout à fait). Il visait à mieux communiquer au lecteur nos ressenties concernant la cohérence visuo-haptique.

**Savez-vous pêcher?** Les études pilotes ont permis d'affiner le geste de traction. L'intervalle de temps pour effectuer le geste (c.-à-d. le poisson nageant légèrement au-dessus de l'eau) était initialement trop court et a finalement été fixé à 4 secondes. Nous avons également ajouté un indice textuel «Tirez maintenant!», afin d'incliquer plus explicitement quand effectuer le geste, suivi d'un retour sonore une fois le geste correctement exécuté. Le questionnaire a confirmé que «La force ressentie était cohérente avec la position du requin» avec un score de 6.5/7 (sd=0.71).

**Avez-vous peur du vide?** Pour cette démonstration, nous avons testé la co-localisation réelle-virtuelle. «La position réelle et virtuelle de la poignée de l'ascenseur était cohérente» avec un score de 5.6/7 (sd=1.17). Nous avons appris que le casque a plus de difficulté à se localiser à proximité de la colonne à cause de problèmes d'occultation. Un défi à adresser en travail futur est donc de minimiser l'occultation de la colonne tout en préservant une surface de contact suffisamment large. Par contre, «Le mouvement de la porte réelle et virtuelle était cohérent» avec un score de 6.6/7 (sd=0.52) confirmant l'intérêt d'exploiter le principe de réversibilité mécanique pour l'interaction (section 3.2.3).

**Les trois pierres magiques.** Nous avions initialement augmenté la pierre dans la main de l'utilisateur avec des flammes. Ces flammes visaient à masquer les décalages potentiels entre le visuel et le toucher, car la technologie actuelle ne permet pas de suivre la position et l'orientation d'objets physiques libres. Il était donc nécessaire de faire des hypothèses sur la position relative de la balle par rapport à la main. Nos études pilotes ont révélé que cet effet visuel (flamme)
<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>FIGURE 6 : Scénario «Peur du vide?». L'utilisateur ouvre (A->B) et ferme (B->A) la porte coulissante de l'ascenseur. A gauche vue virtuelle; Au centre vue réelle. À l'aide de l'ascenseur, l'utilisateur peut explorer 3 étages différents (Droite).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>FIGURE 7 : Scénario : «Les trois pierres magiques». L'utilisateur prend une pierre ronde dans la portail magique rouge (colonne de gauche; A), se déplace sur la passerelle (b) pour atteindre le portail magique bleue (colonne de droite; C1). Il passe alors la main dans le portail magique et lâche la pierre (C2). L'utilisateur peut répéter cette opération indéfiniment : La balle déposée dans le portail bleue revient dans le portail rouge grâce à une gouttière installée sur la colonne.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>FIGURE 8 : Scénario «Station spatiale». L'utilisateur pousse un chariot (colonne dans l'arène physique) qui se remplit progressivement de cellules d'énergie rendant le chariot de plus en plus lourd.</figcaption></figure>
était inutile, les utilisateurs attrapant la balle de manière très similaire. Nous avons également itéré sur le parcours. Celui-ci a été conçu pour ralentir les utilisateurs et faire en sorte que la colonne ait le temps de se déplacer d'un endroit à l'autre avant l'arrivée de l'utilisateur. L'étude pilote a montré des comportements inattendus, certains participants sautant entre les passerelles (1 mètre) plutôt que faire le tour, mais la colonne était toujours présente avant l'arrivée des utilisateurs.

*La station spatiale.* Pour ce scénario, le chariot pouvait avoir 3 masses différentes. Ce choix n'était pas contraint par les capacités des utilisateurs à desciminer le poids du chariot, mais pour maintenir l'engagement dans le jeu et éviter un effet rebarbatif.

## 5.3 Démonstration au près du grand public

CoVR#2 a été présenté lors des Fête de la Science 2022, 2023 et 2024 pendant cinq heures consécutives avec un participant toutes les 10 minutes environ (~35 personnes par édition). Chaque participant testait une unique démonstration. En 2022, ont été testées les démonstrations «Savez vous pêcher» et «Avez vous peur du vide». En 2023, les deux précédentes, plus «les pierres magiques». En 2024, uniquement «Station spatiale». Les démonstrations étaient présentées de manière cyclique afin qu'un visiteur restant 20 minutes puisse voir deux démonstrations. Un écran était attaché à la structure de CoVR#2 pour montrer aux visiteurs ce que voyait le participant dans le casque. La plupart du temps, trois personnes étaient en charge de cette démonstration : une personne (opérateur) en charge de lancer les démonstrations, calibrer le système, recharger le casque, etc.; une personne accueillait le participant et l'accompagnait lors de la démonstration et une personne à proximité des visiteurs pour expliquer la plate-forme. Une de ces deux dernières personnes observait les participants et parfois débriefaient avec eux.

## 5.4 Résultats

5.4.1 *Robustesse, performance et flexibilité.* Le principal résultat est que CoVR#2 a fonctionné sans difficulté pendant toute la durée de l'évènement, démontrant la robustesse du système dans des situations faiblement contrôlées. Conformément aux résultats de l'étude pilote, aucun soucis de performance n'a été observé, même lors de comportements inattendus comme des participants qui ont sautés sur les passerelles plutôt que de faire le tour. Les utilisateurs ont apprécié, et souvent été surpris par la cohérence visuo-haptique de l'ouverture de la porte coulissante, confirmant l'intérêt de la propriété de réversibilité mécanique et la variation de poids des chariots dans la navette spatiale. Ces deux derniers points montrent que CoVR#2 est également plus flexible.

*Expériences utilisateurs.* Nous avons favorisé une analyse qualitative de l'expérience utilisateur avec CoVR#2 car il était difficile de comparer CoVR et CoVR#2. Cette analyse devra donc être complétée d'une analyse quantitative qui fera l'objet d'un travail futur. S'appuyant sur nos observations et les discussions post-expériences avec des participants, les différentes démonstrations ont été appréciées. Tout particulièrement les démonstrations impliquant de grandes forces («pêche» et «station spatiale»), et d'autant plus que les participants semblaient jeunes. L'enthousiasme pour interagir

en réalité virtuelle avec de grandes forces va dans le même sens que les résultats de CoVR [6].

Les critères ci-dessus – "robustesse, performance et flexibilité" ainsi que "expériences" – étaient des critères identifiés en amont des présentations au public. Les critères suivants, "modèle mental" et "difficulté", ont émergé d'une analyse thématique pendant les présentations.

*Modèle mental.* Nous avons constaté que les participants ne comprenaient pas toujours l'origine du retour haptique qui semblait être magique. En effet, des participants du scénario «Savez-vous pêcher?» n'avait pas compris que la colonne était mobile et se demandaient d'où venait la force de traction. S'ils n'avaient pas vu d'autres participants avant, rien ne laissait penser que la colonne était robotisée, car celle-ci est statique avant de mettre le casque et après l'avoir enlevé. De plus, les moteurs, crémaillères et courroies sont en hauteur et donc attirent moins l'attention que d'autres systèmes robotiques. Comme travail futur, nous envisageons de cacher complètement la colonne, par exemple avec un rideau, avant de commencer l'expérience RV afin de «cacher» non seulement l'aspect robotisé, mais aussi l'aspect tangible de CoVR.

Enfin, certains participants qui ont compris l'aspect tangible et robotisé se demandait «en quoi CoVR#2 est virtuel?». Pour eux, la force de traction apparaissait comme «normale» car il y a vraiment un système qui tire avec la même force que la force perçue. De leur point de vue, il n'y a donc pas d'illusion. Ici, ils ne parlent pas de l'illusion du «poisson qui tire» qui était convaincante à leurs yeux, mais d'une illusion de la force. Ils imaginaient une technologie pouvant «simuler» une force. Nous ne nous attendions pas à ce type de réaction et remarques. Cependant, cette observation doit être replacée dans le contexte de l'événement dans lequel d'autres démonstrations étaient présentées au laboratoire. En particulier, il y avait une démonstration d'une technologie haptique permettant de simuler plusieurs textures. Ces participants ont probablement pensé que les solutions haptiques reposent uniquement sur des interfaces qui simulent, alors que CoVR#2 (et CoVR) fait partie des solutions qui exploitent des objets physiques. Il serait intéressant d'étudier plus précisément le modèle mental des utilisateurs concernant les interfaces haptiques.

*Difficultés rencontrées.* La principale difficulté rencontrée est le temps pour calibrer la scène 3D par rapport à l'arène. C'est un point que nous souhaitons améliorer à court terme pour diminuer le temps de transition entre les participants.

# 6 Étude 3 : Évaluation de l'appropriation par les développeurs et les designers

Dans cette section, nous croisons le retour d'expérience des étudiants ayant développé sur CoVR#2 et celui de l'ingénieur en charge de la plateforme.

## 6.1 Étudiants développeurs

4 / 6 des étudiants ayant participé au développement de CoVR#2 au cours des trois dernières années ont répondu anonymement à un court questionnaire administré par email. Le questionnaire contenait 7 questions sur leur expertise et 6 questions sur des aspects de
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>FIGURE 9 : Retour d'expérience d'étudiants ayant développé sur CoVR#2.</figcaption></figure>

CoVR#2. Ces 13 questions s'appuyaient sur des échelles de likert à 7 niveaux (voir Figure 9). Deux autres questions ouvertes portaient sur les points forts et les difficultés rencontrées avec CoVR#2. Une dernier champ permettait de partager d'autres remarques.

Les participants s'évaluent experts en programmation (M = 6.5, σ = 1), gestion de projet (M = 6, σ = 1.4) et dans une certaine mesure IHM (M = 5, σ = 0.81). Ils ont peu d'expertise en fabrication (M = 1.8, σ = 1.5), haptique (M = 2.3, σ = 0.5) et robotique (M = 3, σ = 1.4). La plus grosse variabilité est pour la réalité virtuelle (M = 4.5, σ = 3) avec deux experts (7) et deux novices (<4).

Concernant CoVR#2, les deux aspects qui ont été le plus faciles ont été l'utilisation de scènes existantes (M = 5.8, σ = 1.5) et la calibration du système (M = 5.5, σ = 1.9). Vient ensuite, l'utilisation du jumeau numérique (M = 5.3, σ = 1.7) et l'installation des composants sur sa machine (M = 5.3, σ = 1.7). Enfin le diagnosticque d'erreurs (M = 4.25, σ = 2.7) et la modification de la colonne (M = 4.8, σ = 1.5) ont été moins bien notés.

Les participants ont mentionné spontanément l'intégration dans Unity, la facilité de contrôle de la colonne et la présence de l'ingénieur comme points forts. Ils notent cependant des difficultés au démarrage du projet, un manque de documentation ( souhaitant un tutoriel vidéo) et l'accès limité aux dispositifs (colonne et/ou casques).

## 6.2 Ingénieur en charge de la plateforme

Nous avons interviewé l'ingénieur en charge de plateforme. L'ac-cueil des développeurs / designers nécessite environ 2h pour pré-senter la plateforme et déployer les projets sur leurs machines personnelles. L'installation ne pose pas de problèmes particuliers grâce à l'intégration dans Unity et l'absence de dépendances ex-térieures. Lorsque le projet reste dans le périmètre des fonctionnalités existantes de l'API, le support d'un ingénieur reste ensuite très ponctuels. En revanche, lorsque les scénarios nécessitent des mécanismes complexes ou de nouvelles fonctionnalités, un accom-pagnement plus poussé est requis. 4 sources de difficultés ont été identifiées :

**Développement logiciel.** COVR#2 mobilise de nombreuses compétences (informatique, réalité virtuelle, robotique, haptique, fabrication, game design, gestion de projet) alors que les étudiants ont rarement tout cet éventail de compétences. En pratique, l'ingénieur est souvent sollicité lorsque les étudiants rencontrent des erreurs pendant le développement car les causes peuvent être multiples. Par exemple, le fait que la colonne ne bouge pas peut être du à la mise en sécurité du contrôleur, le mode commande est désactivé, la logique de code n'est pas correcte, la commande de déplacement est hors domaine atteignable, multiple et/ou contradictoire, etc. Ceci est aligné avec les retours des étudiants. Faciliter le diagnostique des erreurs est donc une piste d'améliorations.

**Gestion d'interacteurs physiques.** CoVR#2 est utilisé pour plussieurs projets. Bien que la colonne est flexible pour accueillir facilement une variété d'interacteurs physiques (e.g. boutons), les étudiants n'ont pas une vue globale des différents usages. L'ajout / modification d'éléments sur la colonne nécessite donc souvent un dialogue avec l'ingénieur. Un travail future consiste donc à ne pas rendre les différents projets (c.-à-d. jeux) indépendants les uns des autres afin d'identifier automatiquement les conflits potentiels, p.ex. espace déjà occupé sur la colonne pour un autre jeu), voir suggérer des solutions (p.ex. utiliser un bouton déjà utilisé dans un autre projet).

**Jumeau numérique.** L'utilisation du jumeau numérique n'a pas posé de difficultés particulières. Pour autant, il ne remplace pas les tests en conditions réelles avec le casque de réalité virtuelle pour valider les interactions physiques et ajuster les éléments au plus proche des contraintes du système réel, p.ex. choisir le bon niveau de force. Ceci est aligné avec le retour des étudiants qui ont trouvé facile l'utilisation du jumeau numérique, mais notent le manque de disponibilité du matériel.

**Contraintes matérielles et logicielles.** Bien que pas directement liée à CoVR#2, une difficulté est souvent la puissance insuffisante des ordinateurs des étudiants. Cet aspect n'a pas été mentionné par les étudiants, mais plusieurs d'entre eux ont du utiliser une machine du laboratoire.
## 6.3 Conclusion

En conclusion, il y a une cohérence entre la perspective des étudiants et celle de l'ingénieur en charge de la plateforme : La plateforme est facile à prendre en main (scores > 4). Pour autant, la présence de l'ingénieur reste nécessaire. À court terme, il s'agit de faciliter la prise en main et la calibration de CoVR#2. À moyen terme, le défi scientifique majeur que nous souhaitons adresser est la gestion des conflits virtuel-physique entre les projets.

## 7 Discussion

Les systèmes CoVR et CoVR#2. CoVR avait été estimé TRL 4 par ses auteurs. Basé sur les limitations identifiées par les auteurs de CoVR et les besoins exprimés par un industriel, nous avons conçu CoVR#2 et réalisé plusieurs évaluations techniques (vitesse, précision, force) démontrant les améliorations techniques du système. Nous estimons que CoVR#2 est au TRL 5 «Validation dans un environnement significatif de l'artefact» dans la mesure où CoVR#2 peut maintenant être utilisé lors d'événements publics.

Il reste un défi majeur à adresser comme travail futur : la calibration de CoVR#2. Que ce soit CoVR ou CoVR#2, ces systèmes combinent de nombreuses technologies nécessitant parfois des (re-)calibrations coûteuses en temps (plusieurs minutes) et nécessitant de nombreuses actions de l'opérateur. Le coût de la calibration est rarement mis en évidence dans les articles scientifiques car les preuves de concept sont rarement utilisés de manière intensive. Pourtant, c'est un aspect important à considérer dès lors qu'un déploiement en dehors du laboratoire est envisagé.

Études de CoVR et CoVR#2. Les études de CoVR et CoVR#2 sont complémentaires. L'étude de CoVR aspirait à une validité interne (évaluation fortement contrôlée) pour évaluer un concept alors que l'étude 2 de CoVR#2 aspirait une validité écologique (population hétérogène; environnement faiblement contrôlé, etc.) pour évaluer la robustesse et la performance d'un système. L'étude 3 considérait le point de vue des développeurs. À notre connaissance, la validité écologique ou le point de vue des développeurs sont des perspectives originales dans le paysage des solutions haptiques en réalité virtuelle.

L'objectif initial de la démonstration à la fête de la science était de montrer CoVR#2 au public et valider sa robustesse et sa performance. Mais ce type d'évènement, par son contexte et sa population plus hétérogène favorise d'autres types de discussions et donc de regards sur le système. Par exemple, les discussions post-expérience suggèrent que ce que les participants entendent par «virtuel» ou «haptique» n'est pas forcement aligné avec les concepts manipulés par les académiques. C'est un résultat certes inattendu, mais intéressant qui ouvre de nouvelles directions de recherche.

Raffinement. Au delà de l'étude d'une solution haptique pour la réalité virtuelle, cet article présente un cas de raffinement. De nombreuses techniques d'interaction sont proposées, et la plupart de notre communauté valorise que ces techniques sortent du laboratoire (voir les critères d'évaluation de nos institutions). Pour autant, nous observons peu de raffinements de techniques d'interaction dans la littérature. Typiquement, nous n'avons pas identifié d'articles dans HAL discutant le raffinement d'une technique d'interaction à la conférence IHM ces dernières années.

L'un peut argumenter que le raffinement est davantage de l'ingénierie que de la science et donc n'a pas sa place dans les conférences scientifiques. Au contraire, cet article est un appel pour communiquer davantage les retours d'expériences sur le raffinement pour deux raisons : (1) l'effort pour raffiner une technique d'interaction est probablement sous-estimé et il manque de méthodes pour encourager et améliorer le raffinement dans le processus d'élaboration de techniques d'interaction. Les retours d'expérience permettront d'apporter un éclairage sur cet effort scientifique ; (2) dans le contexte particulier de l'IHM française où les interactions entre académiques et industriels sont encore à développer, ce type de retour d'expérience peut favoriser les échanges et les collaborations entre académiques et industriels.

## 8 Conclusion et travaux futurs

Dans cet article, nous avons présenté CoVR#2. En nous appuyant sur la catégorisation de Wobbrock [20], notre contribution est triple. *Technologique* (artefact), en proposant une version plus robuste, performante et flexible de CoVR. *Empirique*, à travers (1) des évaluations techniques pour quantifier les apports (vitesse, force, etc.) de CoVR#2, (2) des études utilisateurs contrôlées pour estimer la capacité des utilisateurs à différencier différentes forces (inerties), et calibrer CoVR#2 aux différents scenarios, (3) une étude qualitative avec près d'une centaine de participants lors d'un déploiement durant la fête de la science et (4) un étude qualitative de retours de développeurs. Enfin, *d'opinion* en encourageant la communauté à raffiner les techniques d'interaction et à communiquer les retours d'expérience.

Ce travail ouvre aussi de nouvelles directions de recherche. Par exemple, il invite à étudier davantage la calibration des solutions haptiques pour la réalité virtuelle. Typiquement, la calibration de CoVR#2 reste coûteuse en temps et en actions et il est probable que ce soit aussi le cas d'autres solutions haptiques. Pour autant, ce sujet est rarement discuté, bien qu'il nous apparaît critique. Il s'agit de définir des métriques et les leviers pour améliorer la calibration des systèmes haptiques. Une autre question de recherche est comment gérer les conflits physique-virtuel entre plusieurs projets s'appuyant sur des «props», c'est-à-dire comment favoriser la réutilisation d'objets tangibles entre scénarios sans introduire d'incohérences visuo-haptiques. Enfin, ce travail questionne ce que les utilisateurs comprennent de ce qu'est l'haptique. Il s'agit en particulier d'étudier le modèle mental des utilisateurs concernant les interfaces haptiques et les possibles confusions entre les forces réelles et les forces simulées.

## 9 Science ouverte

Dans un souci de science ouverte, les informations pour répliquer CoVR#2 sont disponibles à https://gitlab.isir.upmc.fr/stech/coverl. Elles incluent le matériel (moteurs, variateurs, etc.), les branches, la configuration réseau et des exemples d'utilisation avec Unity.

## 10 Remerciements

Nous remercions la direction et le service technique de l'ISIR pour leur support, les relecteurs pour les recommandations et les participants aux différentes études pour leur temps et retours. Cette
recherche a été financée par l'Agence nationale de la recherche au
titre du projet ANR-22-CE33-0006-01 (NeuroHCI). À des fins de libre
accès, une licence CC-BY a été appliquée par les auteurs au présent
document et le sera à toute version ultérieure jusqu'au manuscrit
auteur accepté pour publication résultant de cette soumission.

Références

[1] [n. d.]. https://www.lobbybot.fr accédé le 4/4/2025.

[2] 2019. http://www.cyberglovesystems.com/cybergrasp

[3] Mahdi Azmandian, Mark Hancock, Hrvoje Benko, Eyal Ofek, and Andrew D. Wilson. 2016. Haptic Retargeting: Dynamic Repurposing of Passive Haptics for Enhanced Virtual Reality Experiences. In *Proceedings of the 2016 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems - CHI '16*. ACM Press, Santa Clara, California, USA, 1968–1979. doi:10.1145/2858036.2858226

[4] Hrvoje Benko, Christian Holz, Mike Sinclair, and Eyal Ofek. 2016. NormalTouch and TextureTouch: High-fidelity 3D Haptic Shape Rendering on Handheld Virtual Reality Controllers. In *Proceedings of the 29th Annual Symposium on User Interface Software and Technology - UIST '16*. ACM Press, Tokyo, Japan, 717–728. doi:10.1145/2984511.2984526

[5] Elodie Bouzbib and Gilles Bailly. 2022. "Let's Meet and Work it Out": Understanding and Mitigating Encountered-Type of Haptic Devices Failure Modes in VR. In *2022 IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces (VR)*. 360–369. doi:10.1109/VR51125.2022.00055

[6] Elodie Bouzbib, Gilles Bailly, Sinan Haliyo, and Pascal Frey. 2020. COVR: A Large-Scale Force-Feedback Robotic Interface for Non-Deterministic Scenarios in VR. In *Proceedings of the 33rd Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology (Virtual Event, USA) (UIST '20)*. Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 209–222. doi:10.1145/3379337.3415891

[7] Elodie Bouzbib, Gilles Bailly, Sinan Haliyo, and Pascal Frey. 2021. "Can I Touch This?": Survey of Virtual Reality Interactions via Haptic Solutions: Revue de Littérature Des Interactions En Réalité Virtuelle Par Le Biais de Solutions Haptiques. In *32e Conférence Francophone Sur l'Interaction Homme-Machine (Virtual Event, France) (IHM '21)*. Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, Article 9, 16 pages. doi:10.1145/3450522.3451323

[8] Bill Buxton. 2008. The long nose of innovation. *Insight* 11 (2008), 27.

[9] Lung-Pan Cheng, Patrick Lühne, Pedro Lopes, Christoph Sterz, and Patrick Bau-
disch. 2014. Haptic Turk : a Motion Platform Based on People. (2014), 11.

[10] Xavier de Tinguy, Thomas Howard, Claudio Pacchierotti, Maud Marchal, and Anatole Lécuyer. 2020. WeATaViX : WEarable Actuated TAngibles for VVirtual Reality eXperiences. In *Haptics : Science, Technology, Applications : 12th International Conference, EuroHaptics 2020, Leiden, The Netherlands, September 6–9, 2020, Proceedings* (Leiden, The Netherlands). Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 262–270. doi:10.1007/978-3-030-58147-3_29

[11] Michael Grieves. 2014. Digital twin : manufacturing excellence through virtual factory replication. *White paper*, 1, 2014 (2014), 1–7.

[12] Haption. 2019. Scale1™ - HAPTION SA. https://www.haption.com/en/products-en/scale-one-en.html

[13] Anuruddha Hettiarachchi and Daniel Wigdor. 2016. Annexing Reality: Enabling Opportunistic Use of Everyday Objects as Tangible Proxies in Augmented Reality. In *Proceedings of the 2016 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems - CHI '16*. ACM Press, Santa Clara, California, USA, 1957–1967. doi:10.1145/2858036.2858134

[14] Brent Edward Insko. 2001. Passive Haptics Significantly Enhances Virtual Environments. (2001), 111.

[15] Kenneth O Johnson and John R Phillips. 1981. Tactile spatial resolution. Two-point discrimination, gap detection, grating resolution, and letter recognition. *Journal of neurophysiology* 46, 6 (1981), 1177–1192.

[16] Sharif Razzaque, Zachariah Kohn, and Mary C. Whitton. 2001. EUROGRAPHICS 2001 / Jonathan C. Roberts Short Presentation © The Eurographics Association 2001. *Redirected Walking*.

[17] M. Sato. 2002. SPIDAR and virtual reality. In *Proceedings of the 5th Biannual World Automation Congress*, Vol. 13. 17–23. doi:10.1109/WAC.2002.1049515

[18] Ryo Suzuki, Junichi Yamaoka, Daniel Leithinger, Tom Yeh, Mark D. Gross, Yoshihiro Kawahara, and Yasuaki Kakehi. 2018. Dynablock: Dynamic 3D Printing for Instant and Reconstructable Shape Formation. In *The 31st Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology - UIST '18*. ACM Press, Berlin, Germany, 99–111. doi:10.1145/3242587.3242659

[19] Shan-Yuan Teng, Cheng-Lung Lin, Chi-huan Chiang, Tzu-Sheng Kuo, Liwei Chan, Da-Yuan Huang, and Bing-Yu Chen. 2019. TilePoP: Tile-type Pop-up Prop for Virtual Reality. (2019), 11.

[20] Jacob O Wobbrock and Julie A Kientz. 2016. Research Contributions in Human-Computer Interaction. (2016), 7.

[21] Kotaro Yamaguchi, Ginga Kato, Yoshihiro Kuroda, Kiyoshi Kiyokawa, and Haruo Takemura. 2016. A Non-grounded and Encountered-type Haptic Display Using a Drone. In *Proceedings of the 2016 Symposium on Spatial User Interaction - SUI '16*.

ACM Press, Tokyo, Japan, 43–46. doi:10.1145/2983310.2985746

A Questionnaire de l'étude pilote

Le questionnaire demandait dans quelle mesure les participants étaient d'accord (échelle de likert) avec les trois affirmations suivantes :

— La force ressentie était cohérente avec la position du requin;

— Les positions réelles et virtuelles de la poignée de l'ascenseur étaient cohérentes

- Les mouvements de la porte réelle et virtuelle étaient cohérents

Received 20 February 2007; revised 12 March 2009; accepted 5 June 2009