除非明确说明，否则，机器人机构是指由关节连接的刚体所构成的系统。刚体在空间的位置和姿态统称为位姿。因此，机器人运动学描述的是位姿、速度、加速度，以及构成机构的物体位姿的高阶导数。

在物体连接的众多可能拓扑中，有两种拓扑在机器人中特别重要，分别是串联链式机构和全并联机构。若刚体系统中的每一个中间刚体均与其他两个刚体连接，第一个和最后一个刚体只与一个刚体连接则该刚体系统为串联链式机构。若刚体系统中的两个刚体通过多个关节连接，则该刚体系统为全并联机构。实际上，每一个关节本身就是一个串联链。

在空间上，刚体运动学可以看做是物体位姿不同表示方法的对比研究。平移和旋转，两者结合称为刚体的偏移，也采用这些表示进行表达。没有哪一种方法对所有的问题都是最优的，每一种方法对解决不同的问题各有优势。在欧几里德空间中，对一个物体定位的最少坐标数量为6。许多空间位姿表示法采用上界坐标集，其中的坐标之间存在辅助关系。独立的辅助关系数量为6，它不同于坐标数量。

一个参考坐标系由坐标原点和3个相互正交的基矢量构成，固定于特定的物体上。坐标原点记为   ，基矢量记为  。一个物体的位姿总是相对于其他的物体进行表达，故它可以表示为一个坐标系相对于另一个坐标系的位姿。类似地，一个刚体的偏移可以表示为两个坐标系之间的偏移，其中一个刚体可以看做是运动的，另一个刚体看做是固定的。这表示观测者位于固定坐标系下的固定位置，并不存在任何juedui固定的坐标系。