רובוט מתהלך (Legged Robot) הוא רובוט נייד המשתמש ברגליים מפרקיות במקום גלגלים, כדי לחצות שטח משובש שרכב גלגלי אינו יכול לעבור. היתרון ברור — מדרגות, סלעים, בוץ וחורבות — והמחיר ברור לא פחות: מורכבות מכנית גבוהה בהרבה וצריכת-אנרגיה גדולה יותר. גלגל נושא משקל ברציפות, ואילו רגל חייבת להרים אותו, לשאת אותו באוויר ולהניח אותו מחדש בכל צעד.
הסיווג המקובל הוא לפי מספר הרגליים. רובוט חד-רגלי מתקדם בקפיצות, ורובוט כזה נבנה כבר בשנות ה-80 באוניברסיטת קרנגי מלון. רובוט דו-רגלי — למשל ASIMO, Atlas ו-Valkyrie של נאס"א — הוא המאתגר ביותר מבחינת יציבות. רובוט ארבע-רגלי נהנה ממרכז-כובד נמוך ומיציבות טובה יותר. רובוט שש-רגלי צועד בהליכות גל או חצובה ויציב עוד יותר; MIT בנתה בשנות ה-80 את Genghis. יש גם רובוטים בעלי שמונה רגליים, כמו Dante של קרנגי מלון, שנשלח לחקור את הר-הגעש ארבוס.
היציבות מושגת בשתי דרכים. יציבות סטטית פירושה שמרכז-הכובד נשאר תמיד בתוך שטח המגע של הרגליים הניצבות על הקרקע, כך שהרובוט לא ייפול גם אם ייעצר לפתע — זו הסיבה שרובוט שש-רגלי יכול לעצור באמצע צעד. יציבות דינמית מאפשרת לו לצאת מהאיזון הזה ולתקן את עצמו תוך כדי תנועה, כפי שאדם עושה בכל צעד; היא מהירה ויעילה יותר, אך דורשת בקרה מהירה ומדויקת.
Boston Dynamics, שהוקמה ב-1992 על ידי מארק רייברט כחברת-בת של מעבדת הרגליים ב-MIT, היא השם המזוהה ביותר עם התחום. BigDog שלה הוצג ב-2005 ונגנז בין השאר משום שנמצא רועש מדי לשימוש קרבי, וב-2012 קבע Cheetah שיא מהירות לרובוט מתהלך. Spot, הרובוט הארבע-רגלי שלה, הוא מוצר מסחרי ממש ונמכר מ-2020. החברה הוחזקה בידי גוגל, לאחר-מכן סופטבנק, ומאז 2020–2021 בידי יונדאי.