具有3自由度旋轉運動能力的腕關節設計可以任意定位其末端執行器。人類的手腕就有3自由度運動的能力，3自由度人工手腕在某些方面優于人類的手腕，如運動范圍或扭矩輸出。盡管一些假肢在設計中加入了3自由度手腕，但串行3自由度手腕設備在機器人應用中更普遍。

圖3 三自由度手腕 (a) MC MultiFlex(RU) (b) Barrett W AM Arm (RRR) (c) Kuka LBR iiwa (RRR) (d) Chirikjian球形步進電機(S)

被動串行3自由度：除了那些簡單組合現有的單自由度假體腕部之外，很少有3自由度被動腕部存在，然而，MC Multiflex[圖2(a)]使用了一個帶有彈性偏置U關節的單自由度旋轉器，形成了一個RU鏈，設計類似于MC Flexion腕部。

主動串聯3自由度：實現3自由度主動運動最常見的方法是將主動旋轉器串聯布置，軸線在不同方向上，這種方法被用于修復術和機器人技術。由約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室設計的模塊化假肢，使用了一個位于旋前的旋轉器，以及兩個相同的電動單元串聯放置，它們之間有90度的偏移，用于彎曲和偏移。

串行RRR方法在工業機械臂應用中非常普遍。許多商用工業武器，如Kuka k -16、川崎k系列、發那科M系列、DurrEcoPaint、鴻海/ Foxconnrobot arms和巴雷特WAM[圖2(b)]。這三個關節的軸在一個共同點上相交球形末端執行器運動，并為機器人手臂更近端的關節提供平移運動與球形手腕運動解耦。當兩個“滾”軸共線時，這種設計常常導致在零位置出現奇異點。然而，在包裝約束的運動范圍和靈活性(輥電機和齒輪系可以放置遠離旋轉中心)使這種配置吸引和適合工業武器。要注意的是，這些臂內的俯仰和其中一個滾轉角通常是通過傘齒輪差速器驅動的，這使得電機可以沿著腕關節的縱向放置，節省空間，并可能減少轉動慣量。滾-槳-滾設計也用于類人機器人、用于衛星服務的機器人手臂和外科機器人手腕，代替使用第二列滾動關節，一些手腕設計實現3自由度的運動通過滾動-傾斜-偏航配置。在這種情況下，偏航軸垂直于橫搖軸和俯仰軸，對應于人手腕的徑向偏差。當偏航軸與俯仰軸和滾轉軸相交時，該機構通常被認為是一個球形腕關節，也可以被認為是一個RU鏈。除了手術臂和工業臂，因為滾-滾-滾手腕與人的手腕相似，所以也經常用于人形或擬人化機械臂。一些系列腕設計選擇使用單一的球關節而不是串行鏈，雖然整體幾何形狀是一個球和窩接接頭，但球實際上是轉子，窩接接頭是定子。