在外骨骼研究中,机器和人体的耦合运动匹配是结构设计的重要要求。如果二者运动产生干涉或者阻碍,穿戴者的关节将受到伤害。因此,了解运动过程中的生物关节共轭曲面是设计与人体协调运动的外骨骼机器人的基础。但是生物关节表面是非线性曲面,关节运动十分复杂,其转动中心不断变化,给关节共轭曲面的测量带来了挑战。本文以膝关节为研究对象,把膝关节共轭曲面的数学描述等效成胫骨端和股骨端的相对运动,提出了一种等效膝关节共轭曲面的测量方法。基本思路是通过检测随关节运动的柔性外骨骼变形,反演胫骨和股骨的相对运动,重构等效的关节共轭曲面。本文基于柔性梁三维大变形模型,推导得到了柔性梁应变-曲率-变形之间的关系。结合模态叠加原理,基于有限测点的应变信息求解关节运动状态。并设计了一款内嵌应变传感器的柔性外骨骼。通过ABAQUS仿真,验证了柔性梁变形理论模型的准确性。通过实验标定了传感器的静态和动态测量误差,结果表明传感器在静态和动态过程中具有较高的测量精度,测量结果能够较好地反映膝关节的运动状态,验证了该方法对关节共轭曲面测量的可行性。最后,在实验者坐姿状态下,利用柔性外骨骼检测膝关节自由屈伸运动,重构了非负重情况下的膝关节等效共轭曲面,多次实验结果表明了重构结果的稳定性。可以作为外骨骼膝关节运动副的设计参考。