This thesis studies the dynamics and stability of some bicycles. The dynamics of idealized bicycles is of interest due to complexities associated with the behaviour of this seemingly simple machine. It is also useful as it can be a starting point for analysis of more complicated systems, such as motorcycles with suspensions, frame flexibility and thick tyres. Finally, accurate and reliable analyses of bicycles can provide benchmarks for checking the correctness of general multibody dynamics codes. The first part of the thesis deals with the derivation of fully nonlinear differential equations of motion for a bicycle. Lagrange’s equations are derived along with the constraint equations in an algorithmic way using computer algebra.Then equivalent equations are obtained numerically using a Newton-Euler formulation. The Newton-Euler formulation is less straightforward than the Lagrangian one and it requires the solution of a bigger system of linear equations in the unknowns. However, it is computationally faster because it has been implemented numerically, unlike Lagrange’s equations which involve long analytical expressions that need to be transferred to a numerical computing environment before being integrated. The two sets of equations are validated against each other using consistent initial conditions. The match obtained is, expectedly, very accurate. The second part of the thesis discusses the linearization of the full nonlinear equations of motion. Lagrange’s equations have been used.The equations are linearized and the corresponding eigenvalue problem studied. The eigenvalues are plotted as functions of the forward speed ν of the bicycle. Several eigenmodes, like weave, capsize, and a stable mode called caster, have been identified along with the speed intervals where they are dominant. The results obtained, for certain parameter values, are in complete numerical agreement with those obtained by other independent researchers, and further validate the equations of motion. The bicycle with these parameters is called the benchmark bicycle. The third part of the thesis makes a detailed and comprehensive study of hands-free circular motions of the benchmark bicycle. Various one-parameter families of circular motions have been identified. Three distinct families exist: (1)A handlebar-forward family, starting from capsize bifurcation off straight-line motion, and ending in an unstable static equilibrium with the frame perfectly upright, and the front wheel almost perpendicular. (2) A handlebar-reversed family, starting again from capsize bifurcation, but ending with the front wheel again steered straight, the bicycle spinning infinitely fast in small circles while lying flat in the ground plane. (3) Lastly, a family joining a similar flat spinning motion (with handlebar forward), to a handlebar-reversed limit, circling in dynamic balance at infinite speed, with the frame near upright and the front wheel almost perpendicular; the transition between handlebar forward and reversed is through moderate-speed circular pivoting with the rear wheel not rotating, and the bicycle virtually upright. In the fourth part of this thesis, some of the parameters (both geometrical and inertial) for the benchmark bicycle have been changed and the resulting different bicycles and their circular motions studied showing other families of circular motions. Finally, some of the circular motions have been examined, numerically and analytically, for stability.

Le travail présenté dans cette thèse est consacré à la modélisation de la dynamique de locomotion des "soft robots", i.e. les systèmes multi-corps mobiles compliants. Ces compliances peuvent être localisées et considérées comme des liaisons passives du système,ou bien introduites par des flexibilités distribuées le long des corps. La dynamique de ces systèmes est modélisée en adoptant une approche Lagrangienne basée sur les outils mathématiques développés par l'école américaine de mécanique géométrique. Du point de vue algorithmique, le calcul de ces modèles dynamiques s'appuie sur un algorithme récursif et efficace de type Newton-Euler, ici étendu aux robots locomoteurs munis d'organes compliants. Poursuivant des objectifs de commande et de simulation rapide pour la robotique, l'algorithme proposé est capable de résoudre la dynamique externe directe ainsi que la dynamique inverse des couples internes. Afin de mettre en pratique l'ensemble de ces outils de modélisation, nous avons pris le vol battant des insectes comme exemple illustratif. Les équations non-linéaires qui régissent les déformations passives de l'aile sont établies en appliquant deux méthodes différentes. La première consiste à séparer le mouvement de l'aile en une composante rigide dite de "repère flottant" et une composante de déformation. Cette dernière est paramétrée dans le repère flottant par la méthode des modes supposés ici appliquée à l'aile vue comme une poutre d'Euler-Bernoulli soumise à la flexion et à la torsion. Quant à la seconde approche, les mouvements de l'aile n'y sont pas séparés mais directement paramétrés par les transformations finies rigides et absolues d'une poutre Cosserat. Cette approche est dite Galiléenne ou "géométriquement exacte" en raison du fait qu'elle ne requiert aucune approximation en dehors des inévitables discrétisations spatiale et temporelle imposées parla résolution numérique de la dynamique du vol. Dans les deux cas,les forces aérodynamiques sont prises en compte via un modèle analytique simplifié de type Dickinson. Les modèles et algorithmes résultants sont appliqués à la conception d'un simulateur du vol, ainsi qu'à la conception d'un prototype d'aile, dans le contexte du projet coopératif (ANR) EVA.

Le travail présenté dans cette thèse est consacré à la modélisation de la dynamique de locomotion des "soft robots", i.e. les systèmes multi-corps mobiles compliants. Ces compliances peuvent être localisées et considérées comme des liaisons passives du système,ou bien introduites par des flexibilités distribuées le long des corps. La dynamique de ces systèmes est modélisée en adoptant une approche Lagrangienne basée sur les outils mathématiques développés par l’école américaine de mécanique géométrique. Du point de vue algorithmique, le calcul de ces modèles dynamiques s’appuie sur un algorithme récursif et efficace de type Newton-Euler, ici étendu aux robots locomoteurs munis d’organes compliants. Poursuivant des objectifs de commande et de simulation rapide pour la robotique, l’algorithme proposé est capable de résoudre la dynamique externe directe ainsi que la dynamique inverse des couples internes. Afin de mettre en pratique l’ensemble de ces outils de modélisation, nous avons pris le vol battant des insectes comme exemple illustratif. Les équations non-linéaires qui régissent les déformations passives de l’aile sont établies en appliquant deux méthodes différentes. La première consiste à séparer le mouvement de l’aile en une composante rigide dite de "repère flottant" et une composante de déformation. Cette dernière est paramétrée dans le repère flottant par la méthode des modes supposés ici appliquée à l’aile vue comme une poutre d’Euler-Bernoulli soumise à la flexion et à la torsion. Quant à la seconde approche, les mouvements de l’aile n’y sont pas séparés mais directement paramétrés par les transformations finies rigides et absolues d’une poutre Cosserat. Cette approche est dite Galiléenne ou "géométriquement exacte" en raison du fait qu’elle ne requiert aucune approximation en dehors des inévitables discrétisations spatiale et temporelle imposées parla résolution numérique de la dynamique du vol. Dans les deux cas,les forces aérodynamiques sont prises en compte via un modèle analytique simplifié de type Dickinson. Les modèles et algorithmes résultants sont appliqués à la conception d’un simulateur du vol, ainsi qu’à la conception d’un prototype d’aile, dans le contexte du projet coopératif (ANR) EVA. / The objective of the present work is to model the locomotion dynamics of "soft robots", i.e. compliant mobile multi-body systems. These compliances can be either localized and treated as passive joints of the system, or introduced by distributed flexibilities along the bodies. The dynamics of these systems is modeled in a Lagrangian approach based on the mathematical tools developed by the American school of geometric mechanics. From the algorithmic viewpoint, the computation of these dynamic models is based on a recursive and efficient Newton-Euler algorithm which is extended here to the case of robots equipped with compliant organs. The proposed algorithm is compatible with control, fast simulation and real time robotic applications. It is able to solve the direct external dynamics as well as the inverse internal torque dynamics. The modeling tools and algorithms developed in this thesis are applied to one of the most advanced cases of compliante locomotion i.e. the flapping flight MAVs bio-inspired by insects. The nonlinear equations governing the passive deformations of the wing are derived using two different methods. In the first method, we separate the wing movement into a rigid component (which corresponds to the movements of a "floating frame"), and a deformation component. The latter one is parameterized in the floating frame using the assumed modes approach where the wing is considered as an Euler-Bernoulli beam undergoing flexion and torsion deformations. Regarding the second method, the wing movements are no longer separated but directly parameterize dusing rigid finite absolute transformations of a Cosserat beam. This method is called Galilean or "geometrically exact" because it does not require any approximation apart from the unavoidable spatial and temporal discretizations imposed by numerical resolution of the flight dynamics. In both cases, the aerodynamic forces are taken into account through a simplified analytical model. The resulting models and algorithms are used in the context of the collaborative project (ANR) EVA to develop a flight simulator, and to design wing prototype.