協作機器人需要配備相應的執行機構才能完成對目標物體的操作。對於不同的應用場合，執行機構可以是機電系統、液壓系統、氣動系統中的一種或是把它們結合起來應用的綜合系統。
(1) 機電執行機構：機電執行機構採用直流伺服電機、交流伺服電機或步進電機作為動力源，具有精確度高、動態特性好、結構緊湊等優點，其缺點是功率密度低、大推力時成本高、易發熱。
(2) 液壓執行機構：液壓執行機構採用液壓泵(齒輪泵、葉片泵、柱塞泵和螺桿泵)、液壓站等作為動力源，具有機構慣量小、輸出功率大、可實現無極調速等優點，其缺點是加工難度大、抗污染能力差、維護成本高。
(3) 氣動執行機構：氣動執行機構採用潔凈、乾燥、具有穩定壓力和足夠流量的壓縮空氣作為動力源，其優點是動作速度快、能量損失小、維護簡單，其缺點是控制精度不高、穩定性較差、雜訊大。
以伺服電機為動力源的機械臂和機械手是移動機器人最常用的執行機構之一，以下分別介紹。
機械臂
機械臂是多輸入多輸出(SISO)的非線性複雜機電系統。機械臂最早應用於工業機器人，走過了從第一代示教機械臂、第二代感知機械臂到第三代智能機械臂的發展歷程。
(1) 第一代機械臂，即示教機械臂，這類機械臂以示教/再現的方式的進行工作。這種工作方式只能按照事先示教的位置和姿態進行重複的動作而對周圍環境無感覺的功能，其應用範圍受到一定的限制。
(2) 第二代機械臂，即感知機械臂，這類機械臂是具有如視覺、力覺、觸覺等外部感覺功能的機械臂。這種機械臂由於具有外部的感覺功能，因此可以根據外界的情況修改自身的動作，從而完成較為複雜的作業。
(3)第三代機械臂，即智能機械臂，這類機械臂除了具有外部感覺功能外，還具有規劃和決策的功能。從而可以適應因為環境的變化而自主進行工作。智能機械臂目前還處於研究階段，距離實際應用還有一段距離。
機械臂的分類方法很多，主要包括：
(1) 按用途分為：工業機械臂、服務機械臂、空間機械臂、醫療機械臂等；
(2) 按尺寸分為：小型機械臂，中型機械臂，大型機械臂；
(3) 按自由度數分為：兩自由度機械臂，三自由度機械臂，四自由度機械臂，五自由度機械臂，六自由度機械臂、七自由度機械臂等；
(4) 按關節連接方式分為：串聯機械臂，並聯機械臂，混聯機械臂；
(5) 按坐標形式劃分：直角坐標機械臂，圓柱坐標機械臂，球面坐標機械臂，關節坐標機械臂（水平關節式、垂直關節式），混合坐標機械臂等。
關節型機械臂是使用最多的一種機械臂類型，其特點是結構緊湊、空間佔用小、工作空間較大、通用性強。移動機器人搭載的關節型機械臂通常是具有3~7個自由度的輕量型機械臂，在人機協作等場景還需要機械臂具有力/力矩檢測能力，以確保人機協作的安全性。
機械臂的主要性能指標包括：自由度數量、最大臂展、工作空間、負載自重比等。
機械手
機械手是一種能模仿人手某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。特點是可以通過編程來完成各種預期的作業，構造和性能上兼有人手靈活性和機械高效性的優點。 機械手最早應用在工業機器人上，它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用於機械製造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
機械手主要由執行機構、驅動機構和控制系統三大部分組成。機械手根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。機械手通過其運動機構，使手部完成各種移動、轉動（擺動）、伸縮或複合運動來實現規定的動作，以改變被抓持物件的位置和姿態。機械手的運動機構以連桿、齒輪、線驅動比較常見。
機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用範圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等。 自由度是機械手設計的關鍵參數，自由度越多，機械手的靈活性越大、通用性越廣，其結構也越複雜。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，至少需有6個自由度。
機械手一般需要與機械臂聯合使用，可彌補機械臂自由度的不足，擴大機械臂的工作空間。然而，機械手的配備相應增加了機械臂的末端負載，使機械臂的實際負載能力下降。因此，在機械臂與機械手的選配上，應從工作空間、末端負載、操作靈活性等方面加以綜合考慮，才能組合出最適宜的機械手臂。
