Understanding Degrees of Freedom
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來源： 機床商務網
隨著機器人產業的飛速發展，工業機器人已經廣泛應用於各行各業，從材料搬運到機器維護，從焊接到切割，從裝配到噴塗，我們發現，這些工業機器人形狀各異，功能性能各不相同，那麼是什麼決定了工業機器人的靈活性，和活動範圍呢？
這個問題比較複雜，但是有一個關鍵因素，在很大程度上決定了機器人的靈活性和活動範圍，那就是工業機器人的自由度，通常也叫做軸數。
什麼是工業機器人的自由度?
通常作為機器人的技術指標，反映機器人動作的靈活性，可用軸的直線移動、擺動或旋轉動作的數目來表示。機器人機構能夠獨立運動的關節數目，稱為機器人機構的運動自由度，簡稱自由度(Degree of Freedom)，由DOF簡寫表示。
目前工業機器人採用的控制方法，是把機械臂上每一個關節，都當作一個單獨的伺服機構，即每個軸對應一個伺服器，每個伺服器通過總線控制，由控制器統一控制並協調工作。
IS08373對工業機器人的解釋:「機器人具備自動控制及可再編程、多用途功能,機器人操作機具有三個或三個以上的可編程軸,在工業自動化應用中,機器人的底座可固定也可移動」。可見,工業機器人的軸數是其重要技術指標。
不同自由度的機器人在工業中的應用
機器人軸的數量，決定了其自由度。是不是自由度越多越好呢?自由度越多，就越接近人手的動作機能，通用性就越好；但是自由度越多，結構越複雜，對機器人的整體要求就越高，這是機器人設計中的一個矛盾。
隨著軸數的增加，機器人的靈活性也隨之增長。但是，在目前的工業應用中，用得最多的是三軸、四軸、五軸雙臂，和六軸的工業機器人，軸數的選擇，通常取決於具體的應用。
這是因為，在某些應用中，並不需要很高的靈活性，而三軸和四軸機器人具有更高的成本效益，並且三軸和四軸機器人在速度上也具有很大的優勢。
如果只是進行一些簡單的應用，例如在傳送帶之間拾取放置零件，那麼四軸的機器人就足夠了。如果機器人需要在一個狹小的空間內工作，而且機械臂需要扭曲反轉，六軸或者七軸的機器人是最好的選擇。
目前在工業領域中以六軸機器人，應用最為廣泛。帶有六個關節的工業機器人，與人類的手臂極為相似，它具有相當於肩膀、肘部和腕部的部位，它的「肩膀」通常安裝在，一個固定的基座結構上。
人類手臂的作用，是將手移動到不同的位置，而六軸機器人的作用，則是移動末端執行器，在機械臂末端，安裝適用於特定應用場景的各種執行器，例如爪手、噴燈、鑽頭和噴漆器等，去完成不同的工作任務。
近期，各機器人廠商紛紛發佈，最新的人機協作機器人，它們幾乎全部都採用，七個軸的冗餘自由度工業機器人。國際知名機器人廠商紛紛發力，推出七軸機器人新產品，以搶佔高端新市場，但真正產品化的七軸工業機器人，與傳統的四軸、六軸的工業機器人相比，從產品種類、銷售佔比目前差距都十分明顯。
冗餘自由度機器人的發展趨勢
六個自由度，是具有完成空間定位，能力的最小自由度數，多於六軸的機器人，統一稱為冗餘自由度機器人。
機器人運動學研究，旨在解決機器人機械臂的末端執行器，在到達空間某一位姿時，各關節的移動或旋轉運動，是整個機器人學的基石和關鍵。
隨著人類文明的高速發展，在許多工業、高空、深海、核廢料，及危險作業環境中的工作，都需要機器人來完成，這對機器人運動控制的可靠性、可操作性、智慧性，提出更高的要求。
未來,隨著其精度不斷增加,冗餘自由度機器人在避障、克服奇異點、靈活性和容錯性方面，具有更多的優勢，面對複雜的工作環境和多變的作業需求，冗餘自由度工業機器人，將擁有更多的用武之地。相信在不遠的將來，它將取代人工進行更加精密的操作。
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