По опыту неудачных, в основном, попыток. Делалось это в условиях большого завода, как заказ по хозрасчетной теме и совместно с коллективом лаборатории. Так что моё участие было лишь в станочной работе, программировании обработки и обсуждении того, что можно было бы использовать из имеющейся в доступности номенклатуры деталей, а что - пришлось бы делать самим, ну и немного - как и из чего делать. И это было отнюдь не для велов - а для приводов манипуляторов, отличных от известных гидро и электро. Там, где, грубо говоря, за круг/цикл, надо было значительно, вплоть до перемены знака изменять усилие и скорость. Ну и нахождение мест потерь энергии в имеющихся приводах и минимизации этих потерь, и возможной минимизации ударных нагрузок, как наиболее опасных для ресурса конструкции. То есть - задача, в чем то обратная Вашей.
И вот из этого опыта. Шарнир, в элементе сходном с коленным суставом, не должен доходить до состояния полного выпрямления и пререходить за него. Изменение усилия внутри цикла с практически любым разумным диапазоном легко организуется профильным блоком при тянущем усилии и профильным кулачком при толкающем. При гидроцилиндре - изменением угла приложения силы и геометрией рычага совместно. Что при передаче усилия цепью, что при тросе потеря ими натяжения и возобновление тяги для привода очень плохи - живёт гораздо меньше. То есть и при использовании троса и цепи весьма желателен механизм преднатяжения и гашения колебаний. Относительно потерь не на трение. Чем больше массы и их ускорения - тем потери, в общем случае, больше.
Одно важное правило - чем ближе частота работы маятникового манипулятора к его собственной резонансной частоте тем он эффективнее работает.

И тем уже зона его эффективности
Человек - очень непостоянная по механическим свойствам машина, и очень нелинейная, и потому очень стоит сначала выяснить
наиболее выгодные для человека режимы его работы, при различных посадках, диапазонах усилий, кинематики и так далее...
Значительная доля этих работ сделана уже давным давно, и покопав воинские уставы и наставления, спорт медицину и так далее, и поставив свои контрольные эксперименты можно сильно сузить область для поиска решения.
Мой личный вывод - линейный, с одновременным задействованием большей части мускулатуры тела, например по типу гребного с подвижным сиденьем, может обеспечить максимальнные разгонные характеристики, но не долговременную работу. Задействование примерно половины или несколько более мышечной массы, как в случае кругового педалирования, к примеру, обеспечивает длительную постоянную работу. И - запас сил на кратковременный рывок. Оптимизация нагрузки на суставы при педалировании - реальна и хорошо ощущается не профи велосипедистом, это я как раз проверял неоднократно и лично на себе и на коллега. Вот отличного от статистической ошибки выигрыша в средней скорости наблюдать не удалось. А вот отодвинуть боль в коленях на час другой позже это стабильно. В этом направлении весьма интересны мне оказались педали, закрепленные на обойме подшипника на конце шатуна системы - это фактически реализует кинематику с переменной длинной кривошипа и проскоком мертвых точек при круглых звездах системы. Способ контроля эффективности примененный тогда мной был очень прост, а сегодня он практически реализуем "за бесплатно". Я натягивал верхнюю ветвь цепи подпружиненным роликом и сделал от него тягу к стрелочному указателю . И снимал на кинокамеру процесс педалирования, в трейнере, естественно. Поскольку в качестве велотрейнера использовался списанный армейский велогенератор "Солдат-мотор" то с измерением относительной выдаваемой мощности проблем не было. А равномерность тягового усилия четко показывалась колебаниями стрелочного индикатора. Кстати, для обычного велосипедиста, очень результативно поднимало технику педаляжа. Вообще, анализ съемки работы какого либо узла очень помогает при анализе и разборе того, как оно работает в реале, и что надо менять в теоретической модели. Если мой опыт пригодится - буду очень доволен.
Желаю успеха в построении.
В догонку - маленькая безумная идея. Весьма часто наблюдаю за кайтами и парапланами, у которых замечательная аэродинамическая форма создается наполнением крыла потоком набегающего воздуха, а у части используется надувной каркас крыла, что не позволяет крылу схлопнуться при потере ветра. Обе конструкции, тем самым работают на растяжение - самая экономичная в смысле массы конструкция. А что если подобный принцип приложить к корпусу веломобиля? Или к обтекателю вела? Как человек знакомый с парусами и яхтами - может увидите возможность приложения? Всё таки жесткая скорлупа стримлайнера - и дорого, и тяжело, и в основном ручная работа.
Мелочь, навеянная советом Кочегара - использование втулок под диск и/или самого диска, как места крепления звездочки. Обгонную же муфту выносить с оси тягового колеса, связывая тяговое колесо с одной из звезд обгонной муфты кольцевой цепью с постоянным натягом. Таким образом можно вынести часть трансмиссии от оси заднего колеса туда, где это будет удобнее конструктору. Да, сложнее, но может дать некоторую дополнительную модульность конструкции и облегчить конструирование задней подвески. Очень грубо - заднее колесо становится фиксированным, но связанным не с системой, а с промежуточной обгонной муфтой. Плюсы - фиксерское хозяйство поживучее будет. Второй - реализация системы изменения передаточного числа может быть реализована любая, без изменения ходовой.