人体发电装置是一种可再生的有效电能供应源,本文基于对人体运动机理的探究,针对人体发电装置存在的惯性大、代谢消耗多、发电量小等研究难题,设计了一种轻质量的膝关节发电装置,通过实验对比分析了单向区间发电与全区间发电模式,验证了区间发电装置设计的必要性和合理性。本文在完成轻量化设计的同时最大程度降低了装置惯性力带来的影响,在消耗更低代谢能量的情况下输出更大的电量,使得本设计更具实用价值,也为被动外骨骼的设计提供了实例指导。本论文的主要工作包括:1)基于下肢运动实验,分析运动过程中膝关节生物力学特征与正负功的作用情况,为区间发电建立理论支撑,并对发电装置设计存在的惯性和质量问题进行了探究,提出轻量化设计以及减低外骨骼惯性的指导思想。2)基于能量收集器与人体运动发电设计要求,提出“绳轮+滚珠丝杠副”传动模型的轻量化设计思路,并设计出了全区间发电装置与单向区间发电装置,以及基于左右旋滚珠丝杠副的发电装置,实现了高功率密度膝关节发电装置的设计。3)对设计的模型进行动力学建模分析,分别建立了基于逆传动运动方程的滚珠丝杠副传动模型,以及基于动量守恒方程的绳轮传动模型,根据模型分析,提出了减少人体代谢能消耗的最优参数设计方法,最终通过测试实验验证参数选择的有效性。4)设计了钢丝绳拉力实验,从力学角度揭示单向区间发电的必要性,并提出最佳的发电实验方案,通过单向区间发电与全区间发电实验揭示了电机惯性作用与装置惯性力矩对发电装置的重要影响。