Freiheitsgradbedarf

Freiheitsgradbedarf bezeichnet den minimalen oder notwendigen Anteil an Freiheitsgraden, den ein System, ein Modell oder eine Bewegung benötigt, um das gewünschte Verhalten, die Dynamik oder eine Aufgabe zuverlässig abzubilden. Er dient als Orientierung dafür, wie komplex eine Beschreibung sein muss und hängt von Anwendungsdomäne, Mess- und Stimulationsmöglichkeiten sowie von Zielen der Modellierung ab.

In Mechanik und Robotik beschreibt der Freiheitsgradbedarf die Anzahl unabhängiger Koordinaten, die nötig sind, um die Konfiguration eines Mechanismus oder einer Bewegung vollständig zu rekonstruieren. Er ergibt sich aus der zu erfüllenden Aufgabe: Je anspruchsvoller Trajektorienführung oder Orientierung, desto mehr DOF werden benötigt. Gleichzeitig schränken Bauformen, Gelenktypen und Aktuatoren den verfügbaren Freiheitsspielraum ein.

In der Biomechanik, der Verfahrenstechnik und der Parameteridentifikation dient er als Leitgröße bei der Modellwahl: zu wenige DOF führen zu Untermodellierung, zu viele zu Überparametrisierung und Instabilität der Schätzung. Der Freiheitsgradbedarf hängt ab von Messauflösung, gewünschter Genauigkeit und der Identifizierbarkeit der Parameter.

Der Begriff unterscheidet sich von den tatsächlich realisierbaren Freiheitsgraden eines Systems. Der Bedarf beschreibt, wie viele unabhängige Koordinaten nötig sind, während Umsetzung durch Konstruktion, Antriebstechnik oder äußere Beschränkungen bestimmt wird. Ein passender Freiheitsgradbedarf hilft, Über- oder Untermodellierung zu vermeiden und Designentscheidungen zu steuern.