近十余年来,便携式电子设备的快速发展给电池供电带来了新的挑战,尤其是在户外作业和野外作战中。先前的研究人员提出从环境中捕获能量,以解决携带额外电池的负担,能量捕获背包就是其中一种比较有前景的解决方案。然而,先前的研究中能量捕获背包质量、体积大,发电能力不高,同时对人体的耦合考虑不够,而且对人体的生理影响研究不足。基于此,本研究提出了高功率能量捕获背包的设计方法,提高能量捕获能力,同时展开了较为全面的人体生理影响评估。本文主要进行了能量捕获背包的设计,对人体运动能量进行捕获,并转化为电能为电子设备充电。在设计能量捕获背包之前,我们首先研究了人体正常运动的步态特征,根据步态特征建立了人体重心运动的理论模型,随后根据能量捕获背包的原理和上述理论提出了系统的动力学模型和电能输出模型,通过分析能量流动确定了最大输出功率对应的极值条件。基于上述的模型和设计方法,并根据不同的设计目标,本文设计和改进了五款能量捕获背包装置,随后根据能量捕获背包的电能输出特征设计了能量捕获电路。通过仿真,研究了滤波电容对电路充电效率的影响,确定了效率最高对应的电容值。通过实验,验证了电路的可行性和测得电路的充电效率为66.04%。本文还对能量捕获背包的发电性能进行了测试并与其他研究进行对比,结果表明,本研究中能量捕获器的平均输出功率高达13.42 W,发电能力得到提高,同时体积和质量大大缩小。本研究还对背负能量捕获背包时人体受到的生理影响进行了实验研究,结果表明,背负能量捕获背包会引起代谢成本的增加和承重反应期时垂直地面反作用力的增大,这在低速行走时尤其明显;此外,关节运动学和动力学也受到了影响,下肢肌肉活动有所增加,这些实验结果为未来的能量捕获背包研究提供了一定的参考价值。