自由度是機器人的一個重要技術指标，它是由機器人的結構決定的，并直接影響到機器人的機動性。對于自由度的概念，機械專業的大牛可能是如數家珍，但對于大多數外行人卻是丈二的和尚摸不着頭腦，小編不是機械專業，但對自由度也很感興趣，今天小編鬥膽為大家講一講機器人的自由度，講得不對或遺漏的地方，還請各位大牛多多指教。

1剛體的自由度

自由度指物體能夠對坐标系進行獨立運動的數目，物體所能進行的運動如下圖：

一個物體可以相對于坐标系，進行三個平移和三個旋轉運動，即一個簡單的物體有六個自由度。

2運動副與關節

運動副是兩構件直接接觸并能産生相對運動的活動聯接。運動副引入約束進而限制6個自由度中的某些自由度。在機器人學中，運動副也成為機器人的關節。

上圖中列舉了一些簡單的運動副，按由上及下，由左及右的順序依次為移動副、轉動副、螺旋副、凸輪和球鉸。移動副限制了一個方向移動的所有自由度，因而它隻剩下一個自由度；轉動副限制了一個方向轉動以外的所有自由度，它也隻剩下一個自由度；最後一個球鉸引入3個約束，限制了所有方向的移動，因而隻具有x、y和z軸方向的轉動，即3個自由度。

3機器人的自由度

機器人的自由度是指機器人所具有的獨立坐标軸運動的數目，但一般不包括手部（末端操作器）的開合自由度。自由度表示了機器人動作靈活的尺度，但也不是自由度越多越好。因為随着自由度的增加，其結構也會變得更加複雜。

上圖中，展示了一個簡單的機械結構的動作圖，關于它的自由度數，我們可以通過下圖來計算。因而可以得出，這是一個簡單的3自由度的機械臂。

4機器人自由度的完美诠釋

和電路一樣，機器人的自由度也有串并聯之分，它們之間的區别在哪呢？舉一個簡單的例子，串聯機器人像是我們用一隻手拿起一個東西，并聯機器人就相當于兩個手一起端一個東西。從我們生活經驗來看（讀者們可以自己端個杯子試試），并聯機器人具有剛度大、承載能力強、精度高、末端件慣性小等優點，串聯機器人具有結構簡單、控制簡單、運動空間大等優點。

而關于機器人自由度的完美诠釋，我們舉兩個例子。

串聯機器人--7自由度機械臂

一般來講，由之前我們所講的剛體的自由度來看，6自由度的機械臂已經足夠确定末端物體的位姿，那為什麼還要增加一個冗餘自由度呢？先看一個有趣的例子。

此圖來自網絡

上圖為人的手臂自由度剖析圖，除去末端手指的自由自由度，這恰好也是7個自由度。如果我們把上圖分解為一個個轉動副的關節，便可以得到下面的數學模型

也許這就是上帝在創造人類的鬼斧神工之處，每一種生物體完美的立體結構都可以為我們創造機器人帶來靈感。那麼為什麼上帝多為我們的手臂創造了七個自由度而不是六個呢？關于它的答案有特别學術的解釋：改善運動學特性（奇異構型、關節位移超限、工作環境中存在的障礙）；改善動力學特性（七軸機器人可以實現關節力矩的再分配，使整個機器人的力矩分配均勻合理）；容錯性（即使有一個關節失效，還可以繼續正常工作）。

但這裡我并不想羅列那些普通人看不懂的術語，我們隻看一個大家肉眼看得見的優勢：

6自由度機器人

7自由度機器人

上圖中，7自由度機器人可以實現不改變末端位置，隻改變機械臂姿态。這對于6自由度機器人來說是無法實現的。

并聯機器人--6自由度Stewart平台

Stewart平台，是1965年德國人Stewart發明了的，當時是作為飛行模拟器用于訓練飛行員。一個Stewart平台由6個獨立控制的伸縮杆組成，兩端分别連接着固定基座和可動平台。通過複雜的數學運算，控制各個伸縮連杆的長度和姿态，從而使可動平台實現6個自由度的精确移動。

Stewart平台并聯機構已經在航空、航天、海底作業、地下開采、制造裝配等行業有着廣泛的應用，但小編要給大家看的是下面這個：

上面是一個水平架設的神奇闆子，一個金屬球，一隻手，一個遙控器—不管我們把球扔在闆子上哪個角落，怎麼擺弄，闆子都能穩穩托住球，利用細微的運動将球引導到指定的位置，這個位置可以是闆子正中，也可以通過遙控來随意改變。這或許就可以稱作萬能的平衡吧。

并聯機器人相比于串聯機器人起步較晚，目前還有許多懸而未決的問題，這一點也不影響它的機械魅力，以及在實際中的完美應用。隻希望各位大牛能快點攻克各類問題，把我們的機械變得更完美。

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