在漢代以前，我國的宇宙理論，大體分為三種，分別是蓋天說、宣夜說和渾天說。在這三種學(xué)說中，渾天說在我國古代一直占據(jù)著主要地位，被認(rèn)為是正統(tǒng)的官方學(xué)說。從漢代開始以后的千余年中長期廣泛流行，支配著歷代的天文觀測和歷法的指定。渾天說認(rèn)為地在天之中，天似蛋殼、地似蛋黃，日月星辰附著在天殼之上，隨天周日旋轉(zhuǎn)。為了演說渾象并觀測天體方位，西漢耿壽昌發(fā)明了渾天儀。東漢中期，張衡在前人制作的基礎(chǔ)上，大膽創(chuàng)新，于公元117年設(shè)計并制造了完整的演示渾天說思想的漏水轉(zhuǎn)渾天儀。
漏水轉(zhuǎn)渾天儀的主體是一個球體模型代表天球。球里面有一根鐵軸貫穿球心，軸的方向就是天球的方向，也是地球自轉(zhuǎn)軸的方向。軸和球有兩個交點(diǎn)，一個是北極（北天極），一個是南極（南天極）。北極高出地平面成36度角，這正是當(dāng)時東漢首都洛陽的地理緯度。在球的外表面上刻有二十八星宿和其它恒星。在球面上還有地平圈和子午圈，天球半露在地平圈之上，半隱在地平圈之上。另外還有黃道圈和赤道圈，互成24度的交角。在赤道和黃道上，各列有二十四節(jié)氣，并從冬至點(diǎn)起，刻分成三百六十五又四分之一度，每度又分四格，太陽每天在黃道上移動一度。

為了讓渾天儀能自己轉(zhuǎn)動，張衡采用齒輪系統(tǒng)把渾象和記時用的漏壺聯(lián)系起來，用漏壺滴出來的水的力量帶動齒輪，齒輪帶動渾象繞軸旋轉(zhuǎn)，一天一周，與天球同步轉(zhuǎn)動。這樣，就可以準(zhǔn)確地把天象的變化表示出來，人在屋子里看著儀器，就可以知道某星正從東方升起，某星已到中天，某星就要從西方落下。

漏水轉(zhuǎn)渾天儀是有明確歷史記載的世界上第一架用水力發(fā)動的天文儀器。在渾天儀中應(yīng)用到的齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)十分復(fù)雜，這中間的轉(zhuǎn)動如果不使用逐漸減速的齒輪系統(tǒng)，很難作到。遠(yuǎn)在一千八百多年前的時候，中國古人就可以造出這樣復(fù)雜的儀器是很值得自豪的。可惜的是，這套復(fù)雜的傳動系統(tǒng)因為年代久遠(yuǎn)沒有能夠流傳下來。

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