Freiheitsgrade bezeichnen die Anzahl der unabhängigen Bewegungen, die ein Roboter ausführen kann. Ein Roboterarm, der sich auf und ab bewegt, hat einen Freiheitsgrad. Mit einer drehbaren Basis erhöht sich die Anzahl um zwei. Ein neigbares und drehbares Handgelenk steigert die Anzahl zusätzlich. Jeder Freiheitsgrad entspricht einem Gelenk oder einer beweglichen Achse.

Im Raum besitzt ein starrer Körper sechs Freiheitsgrade: drei Translationen und drei Rotationen. Ein Roboter, der alle sechs Freiheitsgrade kontrollieren kann, kann ein Objekt innerhalb seiner Reichweite positionieren und ausrichten. Bei weniger als sechs Freiheitsgraden sind manche Positionen oder Ausrichtungen unmöglich. Bei mehr als sechs Freiheitsgraden ist der Roboter redundant, was beim Umfahren von Hindernissen nützlich sein kann.

Freiheitsgrade bei gängigen Robotern

• SCARA-Roboter: vier Freiheitsgrade, schnelle Montage.
• Sechsachsiger Industriearm: sechs Grad, volle Positionskontrolle.
• Humanoider Arm: sieben Grad, redundant wie beim Menschen.
• Delta-Roboter: drei Grad, Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place.
• Mobiler Roboter: drei Grad auf dem Boden, mehr mit einem Manipulator.

Mehr Freiheitsgrade bedeuten mehr Flexibilität, aber auch mehr Komplexität. Jedes Gelenk erhöht Gewicht, Kosten und Steuerungsherausforderungen. Die inverse Kinematik, also die Berechnung der Gelenkwinkel für eine gewünschte Position, wird mit zunehmender Anzahl an Freiheitsgraden schwieriger. Redundante Roboter können aus mehreren Lösungen wählen. Diese Flexibilität ermöglicht es ihnen, Singularitäten zu vermeiden – Konfigurationen, bei denen die Berechnungen versagen und der Roboter die Kontrolle verliert. Die Anzahl der Freiheitsgrade ist eine einfache Zählung mit weitreichenden Konsequenzen für die Fähigkeiten und Grenzen eines Roboters.