减轻机械臂自重，不仅能有效提高机器人工作效率、精准性和安全可靠性，还可以在长周期工作环境中降低能源消耗，增加环境友好性。要在满足强度和刚度等性能要求的前提下，最大限度地降低机械臂的自身重量，材料选择与机械臂设计两方面都同等重要。
一是尽可能地采用碳纤维复合材料替代传统金属材料实现机械臂本体的轻量化。
使用工业机器人是现代制造业的典型标志，不仅是在批量化、高强度作业中有重要作用，在一些具有危险性或者不适于人类工作的恶劣环境中，以及在一些精度要求较高的作业中，其作用更加明显。例如国内碳纤维零部件制造商智上新材料科技有限公司为国家电网提供的一款巡检机器人用碳纤维机械臂管，为铁道工程部门提供的一款隧道勘探机器人用碳纤维可伸缩臂管等等，都已在实际应用中发挥出理想的性能优势。
作为一种高强度、高模量的高性能先进复合材料，碳纤维复合材料在强度方面远高于钢铁等传统金属，但是要比钢铁轻很多，比轻质的镁合金强度又高很多，能够适用于重工业的高强度工作任务，与既轻又廉价的铝合金相比，碳纤维材料在较大温差下不容易发生蠕变，有助于提升机械手臂操作的稳定性和精准性。
虽然碳纤维复合材料的应用成本比铝合金等传统金属要高很多，但在机械臂的长期使用中，最初的材料成本将以低能耗、高效率和长使用寿命等形式予以价值回馈。因此，除了主操作臂外，大型结构框架、型材梁等部位也可尽量使用碳纤维复合材料制作，这种材料有助于机械臂实现轻质化、高刚性、精确定位和高速度的完美性能表现。
二是利用有限元分析等技术对碳纤维复合材料机械臂的结构设计和铺层进行优化。
机械臂在实际使用过程中需要承受来自端部和自身重力这两方面的载荷。碳纤维复合材料虽然强度较高，但是其材料具有各向异性以及容易撕裂的缺陷，因此，在采用这种材料制作机械臂时需要进行复杂的应力计算，通过不同方案的性能对比，实现机械臂的结构优化。
以智上新材料科技有限公司的一款智能机器人用碳纤维矩形机械臂为例，在满足原定的变形量要求下，仿照老款铝合金材质的矩形机械臂制作出相同结构的等壁厚碳纤维复合材料矩形机械臂，两者相比，碳纤维机械臂仅相当于铝合金机械臂重量的42％，减重效果十分明显。
在此基础上，为充分发挥出碳纤维复合材料可设计性的优势，智上新材料科技有限公司与机械臂设计人员通力合作，尝试改变原有的等壁厚设计，采用变壁厚设计，根据机械臂的实际受力点不同，对该机械臂的壁厚铺层进一步优化。最终，变壁厚碳纤维机械臂比等壁厚碳纤维机械臂的重量进一步降低了约11％。
轻量化设计必须结合材料实际情况进行，智上新材料的研发人员强调，采用碳纤维复合材料制造机械臂时，如果过渡区域的铺层变化过大，就比较容易产生应力集中现象。因此，机械臂设计者在追求最轻薄化设计的同时，还需要考虑机械臂的整体应力水平，在二者之间实现平衡，才能结构刚度和轻量化效应兼得。
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