1.基本说明

自由度是衡量机器人动作灵活性的重要指标。所谓自由度，就是整个机器人运动链所能够产生的独立运动数，包括直线运动、回转运动、摆动运动，但不包括执行器本身的运动（如刀具旋转等）。机器人的每一个自由度原则上都需要有一个伺服轴驱动其运动，因此，在产品样本和说明书中，通常以控制轴数进行表示。

机器人的自由度与作业要求有关。自由度越多，执行器的动作就越灵活，机器人的通用性也就越好，但其机械结构和控制也就越复杂。因此，对于作业要求基本不变的批量作业机器人来说，运行速度、可靠性是其最重要的技术指标，其自由度则可在满足作业要求的前提下，适当减少；而对于多品种、小批量作业的机器人来说，通用性、灵活性指标显得更加重要，这样的机器人就需要有很多的自由度。

如图2－26（a）所示的直线运动或回转运动，所需的自由度为1。如执行器需要进行平面直线运动（水平面或垂直），或进行如图2－26（b）所示的直线运动和1个方向的摆动运动，所需的自由度为2。如执行器需要进行图2－26（c）所示的空间直线运动，或需要进行平面直线运动和1个方向的摆动运动，所需要的自由度为3。

图2－26　机器人的自由度

（a）1自由度；（b）2自由度；（c）3自由度

进而，如要求执行器能够在三维空间内进行自由运动，则机器人必须能实现如图2－27所示的X、Y、Z三个方向的直线运动和围绕X、Y、Z轴的回转运动，即需要有6个自由度。这也就意味着，如果机器人能具备上述6个自由度，执行器就可以在三维空间上任意改变姿态，实现对执行器位置的完全控制。

图2－27　三维空间的自由度

如果机器人的自由度超过6个，多余的自由度称为冗余自由度，冗余自由度一般用来回避障碍物。(www.daowen.com)

在三维空间作业的多自由度机器人上，由第1～3轴驱动的3个自由度，通常用于手腕基准点（又称参考点）的空间定位，故称为定位机构；4～6轴则用来改变末端执行器作业点的方向、调整执行器的姿态，如使刀具、工具与作业面保持垂直等，故称为定向机构。但是，当机器人实际工作时，定位和定向动作往往是同时进行的，因此，需要多轴同时运动。

2.表示方法

从运动学原理上说，绝大多数机器人的本体都是由若干关节（Joint）和连杆（Link）组成的运动链。机器人的每一个关节都可使执行器产生一个或几个运动，但是，由于结构设计和控制方面的原因，一个关节真正能够产生驱动力的运动往往只有一个，这一自由度称为主动自由度；其他不能产生驱动力的运动，称为被动自由度。

一个关节的主动自由度一般有平移、回转和摆动3种，在结构示意图中，它们可分别用如图2－28所示的符号表示。

多关节串联结构的机器人的自由度表示，只需要根据其机械结构，依次连接各关节。如图2－29所示为五轴垂直串联结构和三轴水平串联结构机器人的自由度的表示方法，其他结构机器人的自由度表示方法类似。

图2－28　自由度的表示

图2－29　多关节串联的自由度表示

（a）垂直串联；（b）水平串联