Kinematyka odwrotna to obliczenie, które na podstawie żądanej pozycji i orientacji efektora końcowego — zazwyczaj dłoni — wyznacza, jak muszą być ustawione poszczególne stawy robota. Jest to zadanie odwrotne do tak zwanej kinematyki prostej, która z danych kątów stawów oblicza, gdzie znajduje się dłoń. Dla robota kinematyka odwrotna jest niezbędna: zadanie zazwyczaj brzmi bowiem „połóż rękę tutaj”, a nie „obróć bark o 37 stopni i łokieć o 52 stopnie”.
Problem jest matematycznie wymagający z kilku powodów. Po pierwsze, dla tego samego celu często istnieje wiele rozwiązań — po przedmiot można sięgnąć z łokciem skierowanym w górę lub w dół, dłoń można ustawić na różne sposoby. U robotów z wieloma stopniami swobody, takich jak roboty humanoidalne, możliwych konfiguracji jest nieskończenie wiele, więc system musi inteligentnie wybrać z tej przestrzeni najbardziej odpowiednią. Z drugiej strony niektórych celów w ogóle nie można osiągnąć, bo leżą poza zasięgiem ramienia. Rozwiązanie musi też uwzględniać fizyczne ograniczenia stawów i unikać kolizji z własnym ciałem lub otoczeniem.
W praktyce kinematykę odwrotną oblicza się albo analitycznie dla prostszych ramion, albo — częściej w przypadku złożonych robotów humanoidalnych — numerycznie, przez iteracyjne przybliżanie do celu. Obliczenia te muszą być wykonywane bardzo szybko i wielokrotnie, ponieważ robot nieustannie koryguje położenie ramion na podstawie sensorów i zmieniającego się otoczenia. Kinematyka odwrotna stanowi więc podstawową warstwę sterowania ruchem we wszystkich robotach manipulacyjnych, od PAL TALOS przez Fourier GR-1 aż po Atlas i Optimus.
U robotów humanoidalnych kinematyka odwrotna przeplata się ze sterowaniem całym ciałem (whole-body control): gdy robot sięga po odległy przedmiot, nie rusza tylko ramieniem, lecz angażuje tułów i nogi, a przy tym musi utrzymać równowagę. Cel efektora końcowego jest więc rozwiązywany jednocześnie z wieloma innymi ograniczeniami naraz. Zaawansowane systemy łączą dodatkowo kinematykę odwrotną z predykcyjnym sterowaniem (MPC), aby planować ruch nie tylko do właściwej pozycji końcowej, lecz również płynnie i energooszczędnie wzdłuż całej trajektorii.