在高中物理学“物体平衡”一章中，曾讲到有固定转动轴的物体的平衡，其平衡条件是力矩的代数和等于零。这也称作力矩平衡原理。在结构设计中常利用此原理来考虑物体的平衡。利用此原理最直接的实例就是天平。天平中央刀口离两端放置重物的距离相等，当两盘中的重物相等时，作用在天平横梁两端的力相等，横梁达到平衡状态。若此时在一端加上一个微小的力，则横梁就会绕着中央刀口转动。
在机器人操作机设计中，特别是有回转关节的地方，就需要利用力矩平衡原理来进行机构的设计。假设一台极坐标的机器人(如上问中的图1)在设计时没有考虑臂的平衡问题，机器人的臂端还有手腕，在进行作业时尚需要装末端执行器或夹持器及重物。此时回转轴前端的重力就远远大于回转轴后部的重力。根据力矩平衡原理知道整个臂部处于不平衡状态，在无驱动动力时，前端就会自然落下，容易引起事故的发生。而在选择驱动电机功率时，逆时针回转所需力矩就很大，而顺时针回转由于重力的作用则很小，所以电机输出功率波动很大，而其额定功率又要按最大力矩来设计。此时工作起来就不平稳。因此在机器人操作机的设计中一定要考虑平衡问题。这种在机器人操作机结构设计时，在臂部回转关节两端利用力矩平衡原理使系统得以平衡的结构称作机器人的平衡系统。
机器人系统最简单的平衡方式就是配重平衡方式，这是一种静态平衡方式，当机器人处于静止时，使机器人手臂回转关节两端的重力矩相等。如图1所示，在臂的后部将驱动用的电机集中布置在一起，这样尾部的重量加大，使其两端的重量乘以重心到回转轴中心线O2-O2的距离基本相等。从而使机器人处于静止位置时，在没有制动的情况下，不会由于臂部前端的偏载力矩而使大臂或小臂自动掉落。由于机器人静止时，臂部不一定处于水平位置，而力矩在不同位置时大小不一，因此为了安全起见，一般在回转关节处安装有制动器，使其不能自然转动，臂部也就不会自然掉落了。
在喷涂机器人中常用的平衡方式有弹簧平衡系统。这是一种动态的平衡方式，它同样是利用力矩平衡的原理来进行设计的。如图2所示是弹簧平衡的原理图。设AB是手臂的一部分，AC是支座，中间有铰接点A与手臂相连接。臂的重心在G处，其重量为M。AG的长度为L１，AB的长度是L。BC是拉力弹簧及其附件，弹簧与臂在B点铰接，与支座在C点铰接。支座CA与臂AB连线之间形成夹角θ，弹簧与臂AB连线的夹角为δ。由于拉力弹簧受到拉长形成一个拉力F。根据力矩平衡原理，必须使拉力F与弹簧拉力作用线至A点的距离的乘积等于手臂重量M与重心G至AC的距离的乘积，整个系统才能平衡，亦即必须满足下列公式：
M·L１·sinθ＝F·L·sinσ
由于机器人作业时，手臂是围绕A点转动的，因此θ角是一个变量。同时由于手臂的转动，使B点到C点的长度改变，因此拉力F也是一个变量，δ角也是随θ角改变的变量。但结构设计时，在三角形ABC中，AC和AB的长度都已确定，因此当θ角位置一定，δ角也可求出。根据任意三角形正弦和余弦定理可得到公式
因此力矩平衡公式也可写成
因此只要在进行结构设计时，使弹簧的拉力符合公式的函数关系时，就能使系崐统在任何位置上都获得平衡。但实际上由于结构的限制、弹簧材质的影响，回转关节摩擦力矩的影响以及其它很多因素的关系，需要增加很多系数。即使这样也只能得到在某一区域内的平衡。
工业机器人中另一种常用的平衡方式是气动平衡，其原理如图3所示。一般机器人的大臂常采用此种方式。设大臂AB与支座铰接于O点，在大臂的尾部安装有一气缸，气缸的活塞杆与支座铰接于O２点，气缸的缸体与连杆铰接于O1点，连杆的另一端与大臂铰接于O3点。当气缸与气路相通，在缸体上产生一个向下的压力F，而F的大小又满足力矩平衡原理时，大臂就处于平衡状态。而当大臂绕支点转动时，气缸的缸体也随之上下摆动。由于活塞杆是固定在支座上的，因此当缸体上下摆动时，压力F也随之变化，产生一个与大臂转动方向相反的平衡力矩，使大臂在动态情况下仍处于平衡状态。
除上述的平衡方式外，还有气液平衡等等，但任何事物都不是绝对的，不论是那种方式也还有不完善的地方，绝对的动态平衡是较难以获得的，在机器人系统中经常采用几种平衡方式，且由于在机器人结构设计中采用了平衡系统，可使机器人减小驱动电机的功率，降低功率的波动，使机器人工作时平稳，提高了机器人的动态性能。
