Robotik, insan ve hayvan yapılarına uyumlu farklı yapısal morfolojilerin tasarlanması ve özgün davranışsal kontrolcülerin geliştirilmesi bakımından biyolojik sistemlerden esinlenmenin en sık kullanıldığı araştırma alanlarından birisidir. Biyolojik sistemlerden esinlenme doğadaki işlevleri ve kavramları kapsamlı bir şekilde anlamayı ve bunlar üzerinden pratik mühendislik uygulamaları geliştirmeyi gerektirir. Bununla birlikte, özellikle bir insan ya da hayvan için bazı kavramların anlaşılabilmesi, yüksek seviyede matematiksel modelleme ve sistem tanılama yöntemleri kullanımı gerektirmektedir. Bu tezde, doğadaki canlılar gibi başarılı bir şekilde hareket edebilen bacaklı robot platformlarının gerçeklenebilmesi amacıyla bacaklı hareketliliğin anlaşılabilmesi için yeni sistem tanılama yöntemlerinin geliştirilmesi üzerine odaklanılmıştır.Bu tezin ilk bölümünde mekanik-tabanlı matematiksel modellerin fiziksel bir tek bacaklı zıplayan robot platformu üzerinde kestirim performansının deneysel doğrulamalarını içeren çalışmalarımızı sunmaktayız. Yakın bir zamanda kayıplı yay-kütle modeli için önerilen bir yakınsamalı analitik çözüm üzerine tarafımızca eklemeler yapılarak gerçek bir robot sistemine uyarlanmış ve önerdiğimiz yeni modeldeki sistem parametrelerini doğru kestirebilmek amacıyla bir parametrik sistem tanılama çalışması yapılmıştır. Aynı zamanda önerilen yakınsamalı analitik çözümün tek bacaklı zıplayan robotumuzun verileri üzerindeki kestirim performansına ait değerlendirmelerimiz de sunulmuştur. Farklı bacak yaylarıyla yapılan deneyler ve sonuçların çapraz doğrulamaları, önerdiğimiz yakınsamalı analitik çözümün fiziksel robot platformunu yeterince hassas bir şekilde tanılayabildiğini ortaya çıkarmıştır.İkinci bölümde, kararlı bir periyodik yörünge (limit çevrimi) etrafında bacaklı hareketlilik için bir girdi çıktı gösterimi elde edilmesini sağlayacak veri-güdümlü bir sistem tanılama yaklaşımı benimsenmiştir. Bu nedenle, doğrusal ve periyodik olarak zamanla değişen (DPZD) bir sistem gösterimi elde edebilmek amacıyla bacaklı hareketliliğin hibrit sistem dinamikleri bir limit çevrimi etrafında doğrusallaştırılmaktadır. Böylece, bacaklı hareketlilik için girdi çıktı modellerinin tanılanabilmesi amacıyla DPZD sistemlerinin frekans düzleminde analizini ve tanılamasını yapan yöntemler kullanılmaktadır. Tanılaması yapılan girdi çıktı modellerinin kestirim performansını gösterebilmek amacıyla basit bacaklı hareketlilik modelleri üzerinde benzetim ortamı deneyleri sunulmuştur.Son olarak, üçüncü bölüm bacaklı hareketlilik için girdi çıktı verisi kullanarak durum uzayı modellerinin veri-güdümlü tanılamasına odaklanmaktadır. Bunu başarabilmek için öncelikle tam durum ölçümü varsayımı altında bir hibrit DPZD sisteminin periyodik zamanlı durum ve giriş matrislerinin kestirilmesini sağlayan bir durum uzayı tanılama metodu sunulmuştur. Daha sonra, bu varsayımı kaldırarak bilinmeyen kararlı DPZD sistemleri için periyodik zamanlı durum uzayı modellerini kestirebilmek amacıyla altuzay tanılama yöntemleri kullanılmıştır. Çözümlerimizi farklı DPZD sistem modellerine genellemek amacıyla Tustin dönüşümü ve zamanla değişmeyen sistemlere yükseltme yöntemleri kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar bacaklı hareketlilik için durum uzayı modellerinin tanılamasına yönelik bir temel oluşturmaktadır. Robotics is one of the core areas where the bioinspiration is frequently used to design various engineered morphologies and to develop novel behavioral controllers comparable to the humans and animals. Biopinspiration requires a solid understanding of the functions and concepts in nature and developing practical engineering applications. However, understanding these concepts, especially from a human or animal point of view, requires the significant use of mathematical modeling and system identification methods. In this thesis, we focus on developing new system identification methods for understanding legged locomotion models towards building better legged robot platforms that can locomote effectively as their animal counterparts do in nature. In the first part of this thesis, we present our efforts on experimental validation of the predictive performance of mechanics-based mathematical models on a physical one-legged hopping robot platform. We extend upon a recently proposed approximate analytical solution developed for the lossy spring--mass models for a real robotic system and perform a parametric system identification to carefully identify the system parameters in the proposed model. We also present our assessments on the predictive performance of the proposed approximate analytical solution on our one-legged hopping robot data. Experiments with different leg springs and cross validation of results yield that our approximate analytical solutions provide a sufficiently accurate representation of the physical robot platform.In the second part, we adopt a data-driven approach to obtain an input--output representation of legged locomotion models around a stable periodic orbit (a.k.a. limit cycle). To this end, we first linearize the hybrid dynamics of legged locomotor systems around a limit cycle to obtain a linear time periodic (LTP) system representation. Hence, we utilize the frequency domain analysis and identification methods for LTP systems towards the identification of input--output models (harmonic transfer functions) of legged locomotion. We propose simulation experiments on simple legged locomotion models to illustrate the prediction performance of the estimated input--output models. Finally, the third part considers estimating state space models of legged locomotion using input--output data. To accomplish this, we first propose a state space identification method to estimate time periodic state and input matrices of a hybrid LTP system under full state measurement assumption. We then release this assumption and proceed with subspace identification methods to estimate LTP state space realizations for unknown stable LTP systems. We utilize bilinear (Tustin) transformation and frequency domain lifting methods to generalize our solutions to different LTP system models. Our results provide a basis towards identification of state space models for legged locomotion. 160