我国石窟寺数量庞大、历史由来已久、文化内涵丰富,既体现了中华文化的博大精深,又反映了佛教文化的发展及本土化的过程,记录了中华文明同其他古代文明的碰撞与融合。加强石窟寺保护,不仅有利于中华传统文化的传承,加强民族文化自信,更可以促进“一带一路”建设和中外文化交流。因此,本文以石窟寺文物保护为出发点,设计一款可以满足石窟寺空间复杂性、结构复杂性、病害多样性的模块化机器人,具有十分重要的意义。首先,本文通过分析石窟寺病害探测的功能需求,提出了一套基于ROS系统的协同通信模块化机器人搭建方案。在硬件层面上,将机器人控制平台划分为感知执行层、控制层、决策层及远端监控层四层,并逐层制定了硬件搭建方案。从底层控制策略和控制系统框架两个方面解决了机器人的模块控制问题。其次,针对石窟寺病害探测机器人这类模块化机器人的多模块通信问题,提出了基于ROS节点通信、CAN通信、RS232通信的协同通信方案,并将通信划分为两部分:其一为底层硬件通信问题,包含硬件之间的CAN通信和硬件控制器STM32与上位机之间的串口通信方法;其二为上位机对应硬件的数据处理节点之间的节点通信方法。整体从通信的角度解决了数据是从何来,到哪去,如何实现多个传感器、执行器数据与算法和使用者交互的问题。然后,针对橡胶履带差分轮系的石窟病害寺探测机器人如何实现精准定位的问题,本文使用了基于IMU和里程计融合定位的机器人定位方案。其中,里程计数据由机器人左右轮编码器获得,通过计算处理可获得机器人向前行驶的速度与路程。但由于机器人履带底盘的节距测量不准确等一系列问题导致了里程计的测量误差。因此,本文提出了一种线性近似方案,可以大幅度消除误差。IMU加速度计与陀螺仪作为机器人位置估计的另一种数据来源,本身存在零偏、噪声、尺度误差和轴偏差四大主要误差来源。本文使用了一套基于最小二乘法、Madgwick算法和扩展卡尔曼滤波（EKF）的IMU数据处理方法。消除了IMU测量的加速度零偏、尺度误差、轴偏差和IMU测量的角速度零偏与尺度偏差,对机器人进行姿态解算,通过数据融合得到了较为精准机器人的估算位姿,解决了机器人定位问题,保证了石窟寺探测的准确性和安全性。最后,针对本文所使用的机器人定位方法进行试验验证,通过多个实验直接证明了机器人控制平台的可行性与机器人通信方案的可行性。通过使用线性拟合的方法计算出了机器人里程计线速度优化模型的一次项系数。本文还针对IMU加速度计、陀螺仪消除零偏的效果进行了试验。通过对比消除零偏前后采集到的数据,证明了零偏消除的效果。随后进行了扩展卡尔曼滤波算法的数据融合试验。通过不同方式得到的轨迹比对,间接证明了卡尔曼滤波算法对里程计数据与IMU数据融合的具有一定可行性。但此方案中数据融合仍存在不适用于三维行走轨迹等若干问题,有待深入探究。