随着工业机器人的应用场合越来越多，对机器人运动规划的要求也越来越严格。尤其是姿态规划和轨迹优化在工业机器人的应用中具有很重要的作用，如弧焊，喷涂，装配以及打磨等领域中。同时为了保证跟踪精度，对姿态的轨迹和关节的运动轨迹有着较高光滑性的要求。由此，本文针对机器人的光滑姿态插补算法以及时间近似最优光滑轨迹优化算法进行研究。首先，对6自由度弧焊机器人进行了运动学建模。建立基于DH坐标系的连杆变换矩阵，推导了正运动学和逆运动学表达式。针对逆运动学，提出了只需求解3次逆矩阵的解析式推导过程，使逆解推导过程得到极大的简化。分析余弦矩阵，欧拉角以及单位四元数三种姿态表达方式的优缺点。在MATLAB/SIMULINK中搭建了6自由度弧焊机器人的运动仿真平台，其中包括正逆运动学模块以及拉格朗日动力学模块。然后，对基于单位四元数的姿态插补算法进行了深入研究。根据单位四元数的物理意义以及运算法则，将在S3空间单位四元数姿态曲线构造问题转换为在欧氏空间中单位球面光滑球面曲线的构造问题，建立了姿态插补球面曲线表达形式。应用该转换关系，构造了在两个单位四元数姿态间的单参数插补算法。推导了正弦加加速度规划算法并将其应用与两姿态插补运算中。在6自由度弧焊机器人运动仿真平台中，对比欧拉法以及SLERP插补算法的姿态规划结果，表明采用本文提出的单位四元数插补算法具有较好的速度控制能力和光滑性。最后针对复杂曲线和曲面的加工场合，研究了基于单位四元数多姿态C2连续的姿态插补算法。应用单位四元数到欧氏空间的映射关系，推导三个姿态间的姿态插补曲线，对比SQUAD多姿态插补算法，结果表明本文提出的多姿态插补算法在插补点具有较好的光滑性。最后，对时间近似最优的光滑轨迹优化进行了研究。首先建立了机器人动力学约束下的时间优化模型。将模型中目标函数和约束表达式转换到参数空间中，能够使得2n维的优化问题转换为2维优化问题。为了保证运动轨迹的光滑性，在时间优化模型中加入了基于三次B样条的优化变量曲线约束。构造二阶锥规划（SOCP）求解表达式，采用SeDuMi求解器对优化问题求解。分别对两种不同的三自由度机器人模型进行光滑约束下的时间优化问题求解，并将该计算结果与未加入光滑约束的情况进行对比，结果表明了光滑性约束起到了光滑轨迹的作用。