Số bậc tự do là số chuyển động độc lập mà một robot có thể thực hiện. Một cánh tay robot trượt lên xuống có một bậc tự do. Thêm một đế xoay thì nó có hai bậc tự do. Thêm một cổ tay có thể nghiêng và xoay thì số bậc tự do sẽ tăng lên. Mỗi bậc tự do tương ứng với một khớp hoặc một trục chuyển động.

Trong không gian, một vật thể rắn có sáu bậc tự do: ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động quay. Một robot có thể điều khiển cả sáu bậc tự do này có thể định vị và định hướng một vật thể ở bất cứ đâu trong tầm với của nó. Nếu ít hơn sáu bậc tự do, một số vị trí hoặc hướng sẽ không thể thực hiện được. Nếu nhiều hơn sáu bậc tự do, robot sẽ trở nên dư thừa, điều này có thể hữu ích khi cần vươn tới những vật cản xung quanh.

Các bậc tự do trong robot thông thường

• Robot SCARA: bốn bậc tự do, lắp ráp nhanh chóng.
• Cánh tay robot công nghiệp sáu trục: sáu mức độ, điều khiển tư thế hoàn toàn.
• Cánh tay hình người: bảy bậc tự do, linh hoạt như cánh tay người.
• Robot Delta: ba bậc tự do, khả năng gắp và đặt tốc độ cao.
• Robot di động: ba độ nghiêng trên mặt đất, nhiều hơn với cánh tay robot.

Càng nhiều bậc tự do thì càng linh hoạt hơn nhưng cũng phức tạp hơn. Mỗi khớp nối làm tăng trọng lượng, chi phí và đặt ra nhiều thách thức hơn trong việc điều khiển. Bài toán động học ngược, tức là tìm ra góc khớp nào tạo ra vị trí mong muốn, trở nên khó khăn hơn khi số bậc tự do tăng lên. Robot có nhiều bậc tự do có thể lựa chọn giữa nhiều giải pháp khác nhau. Sự linh hoạt đó cho phép chúng tránh được các điểm kỳ dị, những cấu hình mà tại đó phép toán bị phá vỡ và robot mất kiểm soát. Số bậc tự do chỉ là một con số đơn giản nhưng lại có những hệ quả sâu sắc đối với những gì robot có thể và không thể làm được.