隨著機器人產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，從材料搬運到機器維護，從焊接到切割，從裝配到噴涂，我們發(fā)現(xiàn)，這些工業(yè)機器人形狀各異，功能性能各不相同，那么是什么決定了工業(yè)機器人的靈活性和活動范圍呢，這個問題比較復(fù)雜，但是有一個關(guān)鍵因素在很大程度上決定了機器人的靈活性和活動范圍，那就是工業(yè)機器人的自由度，通常也叫做軸數(shù)。

什么是工業(yè)機器人的自由度？

通常作為機器人的技術(shù)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(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示。機器人機構(gòu)能夠獨立運動的關(guān)節(jié)數(shù)目，稱為機器人機構(gòu)的運動自由度，簡稱自由度(DegreeofFreedom)，由DOF簡寫表示。目前工業(yè)機器人采用的控制方法是把機械臂上每一個關(guān)節(jié)都當作一個單獨的伺服機構(gòu)，即每個軸對應(yīng)一個伺服器，每個伺服器通過總線控制，由控制器統(tǒng)一控制并協(xié)調(diào)工作。

IS08373對工業(yè)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(yè)自動化應(yīng)用中，機器人的底座可固定也可移動”。可見，工業(yè)機器人的軸數(shù)是其重要技術(shù)指標。

不同自由度的機器人在工業(yè)中的應(yīng)用

機器人軸的數(shù)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(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對機器人的整體要求就越高，這是機器人設(shè)計中的一個矛盾。隨著軸數(shù)的增加，機器人的靈活性也隨之增長。但是，在目前的工業(yè)應(yīng)用中，用得最多的是三軸、四軸、五軸雙臂和六軸的工業(yè)機器人，軸數(shù)的選擇通常取決于具體的應(yīng)用。這是因為，在某些應(yīng)用中，并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，并且三軸和四軸機器人在速度上也具有很大的優(yōu)勢。如果只是進行一些簡單的應(yīng)用，例如在傳送帶之間拾取放置零件，那么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(nèi)工作，而且機械臂需要扭曲反轉(zhuǎn)，六軸或者七軸的機器人是最好的選擇。

目前在工業(yè)領(lǐng)域中以六軸機器人應(yīng)用最為廣泛。帶有六個關(guān)節(jié)的工業(yè)機器人與人類的手臂極為相似，它具有相當于肩膀、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(jié)構(gòu)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(zhí)行器，在機械臂末端安裝適用于特定應(yīng)用場景的各種執(zhí)行器，例如爪手、噴燈、鉆頭和噴漆器等，去完成不同的工作任務(wù)。

近期，各機器人廠商紛紛發(fā)布最新的人機協(xié)作機器人，它們幾乎全部都采用七個軸的冗余自由度工業(yè)機器人。國際知名機器人廠商紛紛發(fā)力，推出七軸機器人新產(chǎn)品，以搶占高端新市場，但真正產(chǎn)品化的七軸工業(yè)機器人與傳統(tǒng)的四軸、六軸的工業(yè)機器人相比，從產(chǎn)品種類、銷售占比目前差距都十分明顯。

冗余自由度機器人的發(fā)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(shù)，多于六軸的機器人，統(tǒng)一稱為冗余自由度機器人。機器人運動學研究旨在解決機器人機械臂的末端執(zhí)行器在到達空間某一位姿時，各關(guān)節(jié)的移動或旋轉(zhuǎn)運動，是整個機器人學的基石和關(guān)鍵。隨著人類文明的高速發(fā)展，在許多工業(yè)、高空、深海、核廢料及危險作業(yè)環(huán)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、智能性提出更高的要求。未來，隨著其精度不斷增加，冗余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(yōu)勢，面對復(fù)雜的工作環(huán)境和多變的作業(yè)需求，冗余自由度工業(yè)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。