腿式機器人依靠機械腿而非輪子或履帶移動。腿部可以應付輪子無法逾越的地形：例如階梯、岩石、泥濘和碎石。但缺點是結構更複雜。輪式機器人本身就具有穩定性，而腿式機器人則必須在每一步中主動保持平衡。

1980年代，隨著雷伯特在麻省理工學院研發的跳躍機器人，腿式運動的研究開始蓬勃發展。隨後，本田的ASIMO和索尼的AIBO相繼問世。波士頓動力公司的BigDog、Spot和Atlas進一步推動了動態運動的發展，其中Spot目前已投入商業應用，用於巡檢和巡邏工作。由於機器人本身不穩定且地面狀況難以預測，因此控制問題十分棘手。

腿式機器人

• 雙足動物：兩條腿，類似人類，難以保持平衡。
• 四足動物：四條腿，穩定，適合崎嶇地形。
• 六足動物：六條腿，非常穩定，但速度較慢。
• 混合型：輪子裝在腿上，兼具速度與爬坡能力。
• Hopper：單腳動力學研究平台。

腿式機器人擅長在不平坦的地面上行走。它們可以跨越障礙物、爬樓梯，還能從推擠中恢復過來。但在平坦的地面上，它們的速度和效率都比輪式機器人低。控制它們的難度極大。每一步都像是可控的跌倒。機器人必須規劃落腳點、保持平衡，並能適應滑倒或意外碰撞。過去十年，模型預測控制和強化學習技術的進步大大提升了腿式機器人的性能。雖然它們目前還不如輪式機器人普及，但它們能到達輪式機器人無法到達的地方。