随着工业4.0时代的到来,机器人正往高速、高精的方向迈进。机器人末端姿态规划与插补作为机器人末端运动平稳性和综合性能的决定因素之一,尚存在研究不够全面、姿态样条算法较为复杂、难以满足机器人实时性等问题。由此,引用四元数对机器人的姿态曲线构造、速度规划、实时插补等进行研究。本文详细阐述了四元数常见运算和性质。并引用四元数作为姿态插补的描述方式对机器人姿态曲线中的Slerp(Spherical Linear Interpolation)插补曲线和四元数Bezier样条曲线进行构造。基于对各曲线角速度的分析,验证了各构造曲线的平滑性。在姿态构造曲线的基础上,对其曲线拼接后过渡点处一、二阶导数进行推导和验算,证明了拼接曲线满足二阶几何连续。研究了各曲线角位移的计算及速度规划中相关参数的确定。以角位移为统一规划参数,提出了一种可拓展的速度规划算法。采用T型速度规划,详细阐述了速度规划算法的详细设计与速度的协同处理。在姿态构造曲线和速度规划的基础上,研究了区域过渡中样条预处理和二分法快速定位等关键技术,实现了整个机器人的姿态实时插补。最后,以Matlab,VMware虚拟机以及工业机器人作为仿真和实验平台,完成了本文涉及算法的实验测试和现场应用。通过仿真实验及分析,验证了各算法的有效性和正确性。